Moores Gesetz brechen: Wie Chiphersteller Computer auf neue Level bringen

Es gibt keine zwei Möglichkeiten: Der PC verlangsamt sich mit zunehmendem Alter.

Das kann ein bisschen hart sein - Computer sind schneller und kleiner als je zuvor - aber die Prozessorleistung schreitet in ihrem halsbrecherischen Tempo nicht voran. Zu einer Zeit, 50 bis 60 Prozentsprünge im Jahr-zu-Jahr-Leistung waren an der Tagesordnung. Jetzt sind 10 bis 15 Prozent Verbesserungen die Norm.

Glücklicherweise können fünf Jahre alte Computer noch gut mit alltäglichen Aufgaben fertig werden, so dass die Leistungsabschwächung kein großes Problem darstellt. Außerdem ist es schön, dass Sie Ihren PC nicht jedes zweite Jahr während einer Down Economy ersetzen müssen. Aber die Technologie entwickelt sich nicht weiter, indem sie am Status quo festhält. Die Zukunft braucht Geschwindigkeit !

"Ich denke, es gibt keine Wenn und Aber. Heterogene Architekturen sind der Weg der Zukunft."

Zum Glück, die Größte Namen in PC-Prozessoren sind mit dem Status quo nicht zufrieden. Chip-Macher arbeiten fieberhaft daran, die Probleme zu lösen, die sich aus einem sich verlangsamenden Mooreschen Gesetz und dem Aufstieg der Machtmauer ergeben, um das Leistungspedal auf dem Metall zu halten.

Welche radikalen Tricks haben sie also im Ärmel? ? Tatsächlich gibt es mehrere verschiedene Arten - und jede hat ein großes Potenzial für die Zukunft. Werfen wir einen Blick hinter den Vorhang.

Intel: Auf den Schultern der Giganten

Wikipedia / Wikimedia CommonsChip-Transistor zählt im Laufe der Jahre. (Zum Vergrößern hier klicken.)

Können wir die dürftigen Leistungsgewinne von heute mit einem Zusammenbruch des Mooreschen Gesetzes vergleichen? Nicht ganz. Moores legendäre Linie mag häufig falsch zitiert werden, um über die CPU-Leistung zu sprechen, aber der Buchstabe des Gesetzes dreht sich um die Anzahl der Transistoren auf einer Schaltung, die sich alle zwei Jahre verdoppelt.

Während andere Chiphersteller Schwierigkeiten haben, Transistoren zu verkleinern und mehr davon zu drücken auf einem Chip hat Intel - die Firma, die Moore selbst mitbegründet hat - seit seiner Äußerung mit Moores Gesetz Schritt gehalten, eine Leistung, die den kleinen Ingenieuren von Intel zu Füßen gelegt werden kann. Aber nicht irgendwelche Ingenieure. Clever Ingenieure.

Da Transistoren immer dichter werden, werden Bedenken hinsichtlich der Wärme- und Strom-Effizienz zu Hauptproblemen. Jetzt, da die Transistoren fast unendlich klein sind - jeder der Milliarden von Transistoren in den Ivy-Bridge-Chips von Intel misst 22 Nanometer (nm) oder etwa 0,000000866 Zoll -, um diese Probleme zu überwinden, braucht kreatives Denken.

"Es besteht kein Zweifel hart, "sagte Intel Technical Manufacturing Manager Chuck Mulloy in einem Telefoninterview. "Wirklich, wirklich schwer. Ich meine, wir sind auf atomarer Ebene."

Um Fortschritte zu erzielen, hat Intel in der Vergangenheit einige grundlegende Änderungen am Basisdesign von Transistoren vorgenommen Dekade. Im Jahr 2002 kündigte das Unternehmen an, auf sogenanntes "strained silicon" umzusteigen, bei dem die Chipleistung um 10 bis 20 Prozent erhöht wird, indem die Struktur der Siliziumkristalle leicht deformiert wird.

Mo-Leistung bedeutet allerdings auch Probleme. Insbesondere wenn Transistoren weiter schrumpfen, leiden sie unter einem erhöhten Elektronenleck, was sie weit weniger effizient macht. Zwei neue Optimierungen bekämpfen das Leck auf neuartige Weise.

Ohne zu geeky zu werden, begann das Unternehmen damit, die Standard-Siliziumdioxid-Isolatoren der Transistoren zugunsten effizienterer "High-k-Metall-Gate" -Isolatoren auszutauschen 45nm Herstellungsprozess. Es klingt einfach, aber es war eigentlich eine große Sache. Es folgte ein noch monumentalerer Wandel mit der Einführung der "Tri-Gate" - oder "3D" -Transistortechnologie in Intels aktuellen Ivy-Bridge-Chips.

IntelEin Bild, das den Elektronenfluss durch planare (links) und drei- Gate (rechts) Transistoren. Die Elektronen in Tri-Gate-Transistoren fließen auf der vertikalen Ebene, verglichen mit dem flachen Fluss herkömmlicher planarer Transistoren.

Herkömmliche "planare" Transistoren haben ein Paar von "Gates" auf jeder Seite der Kanäle, die Elektronen tragen. Tri-Gate-Transistoren erschütterten dieses zweidimensionale Denken mit dem Hinzufügen eines dritten Gates über dem Kanal, der die zwei seitlichen Gates verbindet. Das Design verbessert die Effizienz, indem es die Leckage reduziert und gleichzeitig den Stromverbrauch senkt. Wieder klingt es einfach, aber die Herstellung von dreidimensionalen Transistoren erfordert immense technische Präzision. Im Moment ist Intel der einzige Chiphersteller, der Prozessoren mit 3D-Transistoren vertreibt.

Was kommt als nächstes für Intel? Die Firma sagt es nicht. In der Tat, sagt Mulloy, dass jede Technologie, die die Firma einsetzen könnte - wie beispielsweise der Ultraviolett-Lithografie-Herstellungsprozess der nächsten Generation - in ein "schwarzes Loch" der PR geht, bevor Intel sie in ihre Chips einführt. Aber, betonte er, die oben erwähnten Verbesserungen der Vergangenheit hören nicht einfach auf, wenn sie der Öffentlichkeit vorgestellt werden. "Die Leute neigen dazu zu denken, dass Intel das benutzt hat, jetzt geht es weiter", Mulloy sagte. "Gespanntes Silizium ist nicht verschwunden, als wir die Fähigkeiten eines High-k-Metallgatters hinzugefügt haben. High-k-Metallgatter verschwanden nicht, als wir zu Tri-Gate-Transistoren gingen - wir bauen und verbessern das noch. Die vierte Generation von Strained-Silizium, die dritte Generation von High-K-Metall-Gate und unsere kommenden 14-nm-Chips werden die zweite Generation von Tri-Gate sein. "

Die beste Chip-Technologie wird immer besser Mit anderen Worten:

Oh, und für das, was es wert ist, glaubt Intel, dass das Mooresche Gesetz für

mindestens zwei weitere Transistor-Shrink-Generationen unvermindert fortsetzt. AMD: Parallele Berechnung bis

Intel ist jedoch nicht der einzige Chiphersteller in der Stadt. Statt sich nur auf Verbesserungen der Transistortechnologie zu konzentrieren, glaubt AMD, dass die Zukunft der Leistung darin besteht, die CPUs etwas zu schwächen, indem ein Teil der Arbeitslast auf andere Prozessoren verlagert wird, die für bestimmte Aufgaben besser geeignet sind. Grafikprozessoren, zum Beispiel

, rauchen durch Aufgaben, die eine Vielzahl von simultanen Berechnungen erfordern, wie etwa Passwort-Cracking, Bitcoin Mining und viele wissenschaftliche Anwendungen. Haben Sie schon einmal von Parallel-Computing gehört? Das ist es, worüber wir sprechen.

AMDDas Design einer AMD-APU nach HSA-Standards.

"Der Übergang zu kleineren Knoten auf der Transistorseite erhöht die [CPU] -Leistung um 6 bis 8 auf

vielleicht 10 Prozent, Jahr für Jahr «, sagt Sasa Marinkovic, Senior Technologiemarketing-Hersteller bei AMD. "Aber das Hinzufügen einer GPU mit GPU-Rechenfunktionen bringt viel größere Vorteile. Zum Beispiel war die Leistungssteigerung für Internet Explorer 8 bis IE9 400 Prozent- vier Mal die Leistung der vorherigen Generation, und alles dank [IE9's] GPU-Beschleunigung. " " Wir sehen diese Art von Leistungssprung innerhalb der heutigen Leistungshüllkurve, oder Sie können die Leistungshüllkurve stark reduzieren und die gleiche Leistung sehen [Sie haben heute] ", sagt Marinkovic.

AMD hat sich auf eine heterogene Systemarchitektur - wie die Methode der Verteilung der Arbeitslast auf mehrere Prozessoren auf einem einzigen Chip - in seinen populären beschleunigten Verarbeitungseinheiten oder APUs, einschließlich desjenigen, der die kommende PlayStation 4-Spielekonsole antreibt, konzentriert. APUs enthalten traditionelle CPU-Kerne und einen großen Radeon-Grafikkern auf demselben Chip, wie im obigen Blockdiagramm gezeigt. Die CPU und die GPU in den Kaveri-APUs der nächsten Generation teilen sich den gleichen Speicherpool und verwischen die Leitungen noch weiter und bieten eine noch schnellere Leistung.

AMD ist nicht der einzige Chiphersteller, der die Idee des parallelen Rechnens unterstützt. Das Unternehmen war Gründungsmitglied der HSA Foundation, einem Konsortium führender Chip-Hersteller - allerdings

ohne Intel und Nvidia -, die zusammenarbeiten, um Standards zu schaffen, die in Zukunft die Programmierung für paralleles Computing erleichtern sollen. Es ist eine gute Sache, dass branchenführende Unternehmen das Rückgrat der Vision der HSA-Stiftung bilden, denn um die große heterogene Zukunft des parallelen Rechnens zu verwirklichen, müssen Programme und Anwendungen speziell geschrieben werden, um die Vorteile der Hardware-Designs.

HSA Foundation

"Software ist der Schlüssel", gibt Marinkovic zu. "Wenn man sich APUs mit [voller HSA-Kompatibilität] anschaut und ohne vollen HSA, muss sich die Software ändern. Aber es wird eine Verbesserung sein … Wo wir hinkommen wollen, ist Code-einmal und überall zu verwenden. Einmal Sie haben die HSA-Architektur in all diesen verschiedenen HSA Foundation-Unternehmen, hoffentlich können Sie ein Programm für einen PC schreiben und es auf Ihrem Smartphone oder Tablet mit einigen kleinen Verbesserungen oder Kompilationen ausführen. "

Sie können bereits eine Anwendung finden Processing Interfaces (APIs), die parallele GPU-Computing ermöglichen, wie Nvidias GeForce-zentrierte CUDA-Plattform, DirectCompute API in DirectX 11 auf Windows-Systemen und OpenCL, eine von der Khronos Group verwaltete Open-Source-Lösung.

Unterstützung für Die Hardwarebeschleunigung greift bei den Softwareentwicklern auf, obwohl die meisten Programme in irgendeiner Weise intensive Grafiken verarbeiten. Internet Explorer und Flash sind zum Beispiel auf dem Zug. Erst letzte Woche kündigte Adobe an, OpenCL-Unterstützung für die Windows-Version von Premiere Pro hinzuzufügen. Laut Vertretern können Benutzer mit einer AMD-Grafikkarte oder APUs diese GPU-Beschleunigung nutzen, um HD- und 4K-Videos in Echtzeit zu bearbeiten oder Videos bis zu 4,3-mal schneller als die nicht beschleunigte Basissoftware zu exportieren.

"I Ich glaube nicht, dass es ein Wenn und Aber gibt ", sagt Marinkovic. "Heterogene Architekturen

sind der Weg der Zukunft." OPEL: So lang, Silizium, hallo, Galliumarsenid!

Basiert diese Zukunft auf Silizium-Technologie, wie die heutige Computertechnik?

Auf jeden Fall kurzfristig. Definitiv nicht, auf lange Sicht. Irgendwann in der Zukunft - Experten wissen nicht genau wann - wird Silizium an seine Grenzen stoßen und einfach nicht mehr weiter getrieben werden können. Chip-Hersteller müssen auf ein anderes Material umsteigen.

MIT Der Blick auf einen von MIT-Forschern gefertigten Indium-Gallium-Arsenid-Transistor.

Dieser Tag ist noch weit entfernt, aber die Forscher erforschen bereits Alternativen. Graphen-Prozessoren erhalten als potenzieller Silizium-Nachfolger viel Hype, aber OPEL Technologies glaubt, dass die Zukunft in Galliumarsenid liegt.

OPEL hat die Galliumarsenid-Technologie im Herzen seiner POET-Plattform (Planar Opto Electronic Technology) verfeinert Seit mehr als 20 Jahren arbeitet das Unternehmen unter anderem mit BAE und dem US-Verteidigungsministerium zusammen, um es zu validieren. Während frühere Prozessor-Vorstöße in Galliumarsenid mit milder Enttäuschung enden, sagen OPEL-Vertreter, dass ihre proprietäre Technologie für die große Zeit bereit ist.

OPEL ist erst vor kurzem aus der F & E-Phase ausgeschieden und hat nicht versucht, bei Ivy Bridge zu klitzekleinen Transistoren zu machen 20nm Größe, aber das Unternehmen behauptet, dass bei 800nm, Galliumarsenid-Prozessoren sind schneller als die heutigen Silizium

und verwenden etwa halb so viel Spannung. "Wenn Sie die Geschwindigkeit der heutigen Silizium-Prozessoren anpassen wollte, um bei einer 3GHz-Taktrate müsste man nicht ganz auf 20 oder 30 Nanometer runtergehen ", sagt OPEL-Chefwissenschaftler Dr. Geoffrey Taylor. "Verdammt, das könnte man wahrscheinlich bei 200nm treffen." Und das nutzt Planartechnologie, nicht 3D-Transistoren. Eines der größten Probleme, denen Silizium-Alternativen gegenüberstehen, ist, dass Silizium die modernste Technologie der Welt ist und Milliarden in die Herstellung von Silizium-Prozessoren investiert maximale Effizienz. Es wird schwierig sein, Intel, AMD, ARM und die HSA Foundation davon zu überzeugen, all das für ein neues Material fallen zu lassen. OPEL sagt, dass seine Technologie eine große Überlappung mit aktuellen Silizium-Fertigungsmethoden hat.

"Es ist skalierbar und es ist an CMOS gebunden", sagt Executive Director Peter Copetti. "Das ist sehr wichtig. In unseren Gesprächen mit verschiedenen Gießereien und Halbleiterfirmen fragen sie als erstes, ob ich meine Anlagen umrüsten muss." Die Investition hier ist minimal, weil unser System zu dem, was gerade da draußen ist, komplementär ist. " OPEL sagt auch, dass seine Wafer wiederverwendbar sind.

European Space AgencyEin sauberer Raum für die Chipherstellung der Europäischen Weltraumorganisation.

Die Internationale Technologieroadmap für Halbleiter hat Galliumarsenid als potenziellen Siliziumersatz zwischen 2018 und 2026 identifiziert. Es gibt immer noch eine Menge von Tests und Übergängen, bevor Galliumarsenid

irgendeiner des Mainstream-PC-Prozessormarktes einnimmt Wenn aber nur ein Bruchteil der Behauptungen von OPEL zutrifft, könnte seine Technologie die Prozessoren der Zukunft sehr gut antreiben. Nun, zumindest bis wir molekulare Transistoren oder Quantencomputer knacken. Aber das ist ein ganz anderer Artikel …

Schreitet auf ein Gesicht zu, das morgen schmilzt

Also, nach all dem - wow! - haben Sie eine bessere Vorstellung davon, wohin die Zukunft der PC-Leistung geht. Die Initiativen von Intel, AMD und OPEL gehen jeweils auf ganz andere Weise große Probleme an, aber das ist gut so. Du willst doch nicht alle deine möglichen Eier in einem einzigen Korb haben.

Und vor allem, wenn alle diese disparaten Teile des PC-Leistungspuzzles erfolgreich sind, könnten sie theoretisch

theoretisch zusammenführen Voltron-artige Mode, um einen überlastigen, GPU-unterstützten, Tri-Gate-Galliumarsenid-Prozessor zu schaffen, der selbst den kühnsten der heutigen Core-i7-Prozessoren aus dem Konzept bringen könnte. Die heutige Leistungskurve könnte flacher werden, aber die Zukunft hat noch nie so geschaut

tierisch.