Ar pamenate savo pirmąjį kompiuterį? Kas tai buvo? Nespalvotas ekranas, kelių megabaitų diskinis kaupiklis, kelių colių lanksčių diskelių skaitytuvas ir dešimties megahercų procesorius? Palyginkite mintyse su savo dabartiniu… O ar pamenate savo pirmą telefoną? Gal tai buvo „Motorola“ arba Nokia? Su nespalvotu, vos įskaitomu ekraniuku ir milžiniška antena? O kaip atrodo dabartinis? Spalvotas didelis ir patogus ekranas? O ar pamenate lanksčius diskelius? Nieko nebestebina dabartinių skaitmeninių nuotraukų dydis, nors vos prieš dešimt metų tai būtų neįsivaizduojamai daug. Tikrai neįtikėtinas progresas, kuris būtų neįmanomas be eksponentinio Moore'o dėsnio, kuriam šiemet sukanka net 50 metų!
Kas yra tas Moore'o dėsnis ir ką jis tokio teigia, kad visos stambiausios pasaulio kompanijos – „Google“, „Facebook“, „Intel“, „Microsoft“ ir t.t. vienaip arba kitaip atšventė šį jubiliejų? Jei norite trumpo atsakymo, pasakysiu, kad be Moore'o dėsnio nebūtų nei „Google“, nei „Facebook“, nei interneto, nei asmeninių kompiuterių, net nekalbant apie išmaniuosius telefonus. Jei norite išsamaus atsakymo, tuomet skaitykite toliau.
1965 metais Gordonas Moore'as, vienas iš korporacijos „Intel“ įkūrėjų, pastebėjo, kad integruotoje mikroschemoje esančių komponenčių skaičius keičiasi eksponentiškai, o 1975 metais suformulavo savo garsųjį dėsnį: kas dvejus metus mikroschemoje esančių elektroninių komponenčių skaičius padvigubėja. Jei vienas pirmųjų „Intel“ procesorių „Intel 4004“ turėjo tik 2 300 tranzistorių, dirbo 740 kilohercų dažniu, buvo keturių bitų ir mokėjo dirbti tik su 4096 bitais išorinės atminties, tai vėlesnis „Intel“ procesorius 8080 jau turėjo 6 000 tranzistorių, dirbo 2-3 megahercų dažniu buvo 8 bitų ir mokėjo dirbti net su 64 kilobaitais atminties.
Pirmieji procesoriai turėjo tiek mažai elementų todėl, kad inžinieriai nemokėjo pagaminti smulkių tranzistorių. Pirmųjų procesorių tranzistorių dydžiai buvo dešimtys mikrometrų. Praėjus 2-3 metams inžinieriai išmokdavo du kartus sumažinti tranzistoriaus mikroschemoje užimamą plotą, būtent todėl Gordonas Moore'as ir galėjo suformuluoti savo garsiąją pastabą, kuriai vėliau ir buvo suteiktas Moore'o dėsnio vardas. Tranzistorių skaičius, procesorių dažnis bei kompiuterių atmintis ilgą laiką augo būtent taip, kaip nusakė Moore'o dėsnis. Vos po 20 metų nuo „Intel 4004“ pasirodęs „Intel 486 DX 2“ procesorius jau turėjo 1,2 mln tranzistorių ir dirbo 100 MHz dažniu!
Po dešimties metų, 1999 metais atsiradęs „Pentium III“ procesorius jau turėjo 28 mln tranzistorių bei dirbo 1,4 GHz dažniu! Ateitis atrodė šviesi tiek pačiai korporacijai „Intel“ ir jos konkurentams, tiek kompiuterių vartotojams. 2000 metais „Intel“ išleido į rinką pirmus „Pentium 4“ procesorius, turėjusius 42 mln tranzistorių ir veikusius net 1,5 GHz dažniu! Тodėl niekas nenustebo, kuomet „Intel“ pranešė apie planus 2005 metais pademonstruoti procesorius, kurie veiktų net 8-10 GHz dažniu! Viskas atrodė gana logiška, anot tuometinės Moore'o dėsnio versijos, dažniai dvigubėjo kas 18 mėnesių, todėl 2005 metais reiktų laukti 8 GHz dažnio. Jei Moore'o dėsnis galiotų ir toliau, 2011 metais dažnis turėtų pasiekti stulbinančius 128 GHz! Ir nors korporacija „Intel“ niekada nekalbėjo apie tokius milžiniškus dažnius 2011 metais, ji 2000 metais garantavo, kad 10 GHz dažnis tikrai bus pasiektas.
Atėjo 2004 metai. Vyko eilinis „Gartner“ grupės organizuotas rudeninis IT simpoziumas. Gražus oras, pakili nuotaika, technologiniai proveržiai. Niekas net patikėti negalėjo tuo, ką jie išvydo scenoje atsiradus „Intel“ korporacijos prezidentui Craigui Barrettui. Vienos galingiausių pasaulio IT korporacijų prezidentas stebint 7 000 specialistų atsiklaupė ant kelių ir paprašė atleidimo už tai, kad 4 GHz „Pentium 4“ niekada neišvys dienos šviesos.
O kaip gi žadėti 10 GHz, gali paklausti skaitytojas? Baikite, gerbiamieji, juokus! Apie kokius 10 GHz procesorius galime kalbėti, jei „Pentium 4“ procesorius vos ne vos pasiekė 3,8 GHz dažnius? Maža to, dirbdamas tokiu dideliu dažniu, procesorius taip stipriai kaito, kad buvo entuziastų pramintas keptuve, nes rekordiškai greitai galėjo iškepti kiaušinienę!
Ir tikrai... Ar pastebėjote, kad nuo 2004 metų mūsų perkamų kompiuterių ir jų procesorių taktiniai dažniai „užšalo“ ties 3-4 gigahercų riba? Kas tai yra? Moore'o dėsnis nebegalioja? Kaip suprasti? Jau įsivaizduoju galvą krapštantį skaitytoją. Moore'o dėsnis tebegalioja, skubu nuraminti. Tranzistorių skaičius procesoriuose tebedvigubėja ir po 2004 metų, kaip jis tai darė anksčiau. Tiesiog nustojo galioti Dennardo ir Koomey dėsniai, kuriuos dažnai painiodavo su Moore'o dėsniu, o kartais net tiesiai šviesai vadindavo Moore'o dėsniu.
Tai kas gi atsitiko? Kodėl nustojo augti dažniai? Kodėl vienos galingiausių kompanijų prezidentui teko atsiklaupt ir atsiprašyti už neįvykdomą pažadą? Atsakymas nėra paprastas ir reikalauja iš skaitytojo susipažinti su vakuuminiu triodu – modernių tranzistorių seneliu.
Kaip veikia triodas ir kas tai yra? Jei turėjote seną tarybinį televizorių arba radiolą, gal esate matę prietaiso viduje esančias lempas? O gal net teko pačiupinėti? Jei teko ir įsižiūrėjote, turėtumėte pastebėti lempos viduje trejetą elementų: katodą, anodą ir į vielos tvorą panašią užtūrą. Per katodą pastoviai teka srovė, todėl ta viela kaista. Iš įkaitusio katodo paviršiaus išsilaisvina neigiamo elektros krūvio elektronai, kurie išsilaksto po lempos tūrį, o jų dalis pasiekia anodą ir per triodą teka elektros srovė. Per veikiantį triodą visą laiką teka tokių elektronų srovė. Bet kas įvyks, jei mes į tarp anodo ir elektrodo esančios užtūros paduosime elektros įtampą? Jei įtampa bus teigiama, elektronai didesniu greičiu nuskries link anodo, todėl per triodą pradės tekėti stipresnė elektros srovė. Tačiau kas bus, jei įtampa neigiama? Tuomet neigiami elektronai nepasieks anodo ir srovė nustos per triodą tekėti!
Lygiai taip pat, kaip vakuuminis triodas veikia ir puslaidininkinis tranzistorius. Pamenate, kokios stambios buvo vakuuminės lempos? Dėl jų stambumo televizoriai ir radiolos buvo netikėtinai sunkūs. Bet atsiradus puslaidininkiniams tranzistoriams, gana greitai atsirado ir nešiojama elektrotechnika: tranzistorinės radiolos, magnetolos, kasečių grotuvai. Tai buvo tikra mobilumo revoliucija. Jei lempinė radiola stovėjo bute ant tvirtos ąžuolinės kedės, tai tranzistorinės vieta buvo paplūdimyje.
Atsiradus integruotoms mikroschemoms, visi palaidi tranzistoriai nukeliavo į integruotas mikroschemas, o juose esančių ištakų (angl. source), užtūrų (angl. gate) ir santakų (angl. drain) dydžiai tapo sunkiai pastebimi žmogaus akiai.
Mažėjant tranzistorių matmenims, mažėja jų elementai – ištakos, santakos ir užtūros. Nors charakteringas dabartinių procesorių tranzistorių ilgis yra 22 nanometrai, užtūros ilgis yra stebėtinai didelis – apie 25 nm, nors dar prieš dešimtį metų užtūra buvo mažesnė už charakteringą tranzistoriaus ilgį. Matote, kai tranzistorių matmetnys nuosekliai mažėja, kažkada yra pasiekiami tokie maži dydžiai, jog smulkiausiame tranzistoriaus elemente – užtūroje – telpa vos keletas dešimčių kristalinės gardelės sluoksnių. Dabartiniai tranzistoriai gaminami iš silicio, kurio kristalinės gardelės periodas yra 0.5 nm. Šis skaičius reiškia, kad atstumas tarp silicio pavienių atomų gardelėje yra pusė nanometro. Tai 25 nanometrų užtūroje telpa tik 50 atomų! Jei mes mintyse sumažinsime tranzistorių dar labiau, iki dydžių mažesnių už 20 nanometrų, mes užtūroje tebeturėsime vos dešimtį atomų! Tampa gana akivaizdu, kad esant tokiems mažiems dydžiams klasikinė tranzistorių teorija tiesiog nustoja veikti!
Palauk, jau man šaukia skaitytojas, o kaip tai paaiškina tai, kad mes nepamatėme 10 GHz procesorių? Nereikia pergyventi, paaiškinimas jau netoli (dar „desietka“ kavos puodelių išgertų beskaitant šią rašliavą). Visų pirma, tranzistoriaus galią galime padalint į 3 dalis: statinę, dinaminę ir pereinamąją. Kuo plonesnė užtūra, tuo didesnė statinė galia, nes dėl plonos užtūros pro ją nuolat teka srovė. Ūkiškai aiškinant, tranzistorius yra toks plonutis, kad pro jį VISADA teka srovė, net tada, kada mums to nereikia! Dėl šios parazitinės srovės nepavyksta sumažinti įtampos ir padidinti tranzistoriaus veikimo dažnio.
Maža to, kad procesoriaus sunaudojamos elektros kiekis tiesiškai priklauso nuo dažnio, tai dar ir dažnis priklauso nuo įtampos! Jei mes norime pasiekti didelį tranzistoriukų veikimo dažnį, mes turime stipriai pakelti jų veikimo įtampą. O pakėlus įtampą padidėja suvartojama elektros energija ir padidėja procesoriaus temperatūra! Procesorius nuo per didelio dažnio tampa tikra keptuve…
Kaip matome, gaunasi vos ne pato situacija. Moore'o dėsnis vis tebeleidžia kompiuterių gamintojams išgauti daugiau tranzistorių, tačiau jis nebeleidžia jiems padidinti dažnio. Kaip tada mes galime išgaut kokią nors naudą? Tikrai sunkus klausimas. Tačiau nuo 2004 metų gamintojai sugalvojo sprendimą šiai našumo problemai. Sprendimas yra stebėtinai paprastas: padaryti iš vieno procesoriaus du. Turėjote vieną procesorių? Dabar nusipirkite du, o gal net keturis vienu metu! Taip, taip! Ir mes perkame. Mes perkame keleto „branduolų“ procesorius. Ir jei 2005-2006 metais dviejų branduolių procesoriai buvo egzotika, dabar nieko nestebina keturių, šešių arba net aštuonių branduolių procesoriai, kurie veikia tuo pačiu 3-4 GHz dažniu!
Galite pasakyti, taigi nuostabu! Vietoje vieno kompiuterio, perkame net 8 arba 16 vienu metu! Deja, deja… Tenka apgailestauti, tačiau daugelio branduolių kompiuteriui tinka tik gerai išlygiagretinamos užduotis. Jei mes verdame sriubą, sriuba greičiau neišvirs nuo to, kad virtuvėje bus keturios virėjos. Skalbiniai greičiau neišsiskalbs, jei iš vienos skalbimo mašinos perdėsime juos net į penkias. Galu gale, jei mums reikia prisukti vieną varžtą, jis neįsisuks greičiau, jei jį įsukt bandys šešiolika meistrų… Matematikoje šios gyvenimiškos situacijos turi savo pavadinimą – Amdahlio dėsnis: kuo paprastesnė užduotis, tuo mažiau naudos iš pagalbininkų.
Ir tikrai, gana ilgą laiką naudos iš tų dvejų, trijų, keturių arba šešių branduolių kompiuterių nebuvo jokios. Tik dabar žaidimai ir programos pradeda pagaliau prasmingai naudoti keturių branduolių kompiuterius. Tačiau vis tiek atsiranda kasdienių užduočių, kur dešimties metų senumo kompiuterio visiškai pakanka…
Bet užduokime sau kitą klausimą O kokia ateitis laukia Moore'o dėsnio? Tiksliau net ne dėsnio, o stebėtinai taiklios pastabos… Visų pirma, dėl mažėjančio tranzistorių dydžio, tampa vis sudėtingiau pagaminti tranzistorius, kurie vienas nuo kito skirtųsi kuo mažiau. Dėl gardelės netolygumų, vienas tranzistorius procesoriuje gali būti geras, o kitas gali būti visiškai niekam tikęs. Dėl šios priežasties procesorių kūrėjams tenka papildomai apsisaugoti ir išnaudoti dėl Muro dėsnio atsirandančio potencialo dalį.
Kita problema yra elektros signalų nukreipimas iš procesoriaus išorės į procesoriaus vidų. Tam dažniausiai naudojamos besikeičiančio nuo sluoksnio link sluoksnio vario ir aliuminio laidų piramidės. Jei 1997 metais užtekdavo 4 tokių metalinių sluoksnių, tai 2010 metais jų prireikia net 16! Be abejo, tai prisideda prie mikroschemos sudėtingumo.
Klasikinė dvimačio tranzistoriaus schema nustojo veikti, kuomet charakteringi tranzistorių dydžiai priartėjo prie 22 nanometrų. Tuomet korporacija „Intel“ pradėjo naudoti trimačius tranzistorius. Šiai problemai spręst buvo pasitelktas trimatis tranzistoriaus elementų komponavimas. Ištaka ir santaka tapo trimačiais, dėl ko padidėjo jų sąveikos su užtūra plotas. Tačiau tai yra laikinas sprendimas, kuris veiks tik iki kitos procesorių kartos…
Tačiau po 10 nanometrų techninio proceso ateis eilė 7 nanometrų procesui, o čia jau daugelis inžinierių pasimeta. Kuomet tranzistorius yra vos 7 nanometrai, jame tėra tik 14 silicio atomų, o apie priemaišas kalbėti tampa beprasmiška. Ir būtent čia kyla geras klausimas. Moore'o dėsnio mirtis matoma net plika akimi. Tačiau kada gi ji įvyks?
Puslaidininkinių procesorių verslas reikalauja vis stambesnių ir brangesnių investicijų į gamyklas. Šią pastaba aprašo taip vadinamas Rocko dėsnis: puslaidininkinių mikroschemų gamyklos kaina dvigubėja kas keturis metus. Ir tikrai 2014 metais investicijos į naują gamyklą siekė net 14 mlrd. JAV dolerių! Nieko nuostabaus, kad „Intel“ konkurentė AMD 2009 metais pardavė savo gamyklas, o kita „Intel“ konkurentė IBM tą patį padarė pernai. Taip atsitinka dėl to, kad tampa vis sunkiau tampa užtikrinti Moore'o pastabos galiojimą. Ne šiaip sau jau nuo 1995 metų Muro dėsniui vis prognozuojama mirtis!
Ir nors pats Gordonas Moore'as 1995 metais išpranašavo savo dėsnio mirtį 2005 metais, korporacija „Intel“ daro viską, kas įmanoma, kad šis dėsnis tebegaliotų. Kuomet didžiausi „Intel“ konkurentai susitaiko su tuo, kad tranzistorių skaičius nebedvigubėja taip greitai, kaip jiems to norėtųsi, „Intel“ investuoja milžiniškus pinigus, kad dėsnis tebegaliotų. Moore'o dėsnio dėka sparčiai tebeauga tranzistorių skaičius „Intel“ procesoriuose bei procesorių atmintis. Tebeauga nes tai yra „Intel“ prestižo klausimas, tai yra „Intel dėsnis“. Ir, jei viskas bus gerai, jis tebegalios dar iki 2020-2025 metų.
