Laptops, Handys und Tablets werden jedes Jahr billiger, schlanker und leistungsstärker, während die Akkulaufzeit immer länger wird. Haben Sie sich jemals gefragt, warum dies so ist und ob sich Geräte für immer weiter verbessern können?
Die Antwort auf die erste Frage wird durch drei Gesetze erklärt, die von Forschern entdeckt wurden: Moore's Law, Dennard Scaling und Koomey's Law. Lesen Sie weiter, um zu verstehen, welche Auswirkungen diese Gesetze auf das Rechnen haben und wohin sie uns in Zukunft führen könnten.
Was ist Moores Gesetz?
Wenn Sie regelmäßig MakeUseOf lesen, kennen Sie möglicherweise das mythische Mooresche Gesetz.
Der CEO und Mitbegründer von Intel, Gordon Moore, stellte es erstmals 1965 vor.
Er sagte voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip ungefähr alle zwei Jahre verdoppeln und die jährliche Herstellung zwischen 20 und 30 Prozent billiger werden würde. Intels erster Prozessor wurde 1971 mit 2.250 Transistoren und einer Fläche von 12 mm veröffentlicht
2. Die heutigen CPUs enthalten Hunderte Millionen Transistoren pro Millimeterquadrat.Während es als Vorhersage begann, übernahm die Branche auch das Mooresche Gesetz als Roadmap. Fünf Jahrzehnte lang ermöglichte die Vorhersehbarkeit des Gesetzes Unternehmen, langfristige Strategien zu formulieren, in dem Wissen, dass Selbst wenn ihre Entwürfe in der Planungsphase unmöglich wären, würde Moores Gesetz die Waren zum richtigen Zeitpunkt liefern Moment.
Dies wirkte sich in vielen Bereichen aus, von der ständig verbesserten Grafik der Spiele bis hin zur steigenden Anzahl von Megapixeln in Digitalkameras.
Das Gesetz ist jedoch haltbar, und der Fortschritt verlangsamt sich. Obwohl Chiphersteller weiterhin Finden Sie neue Wege um die Grenzen von SiliziumchipsMoore selbst glaubt, dass es bis zum Ende dieses Jahrzehnts nicht mehr funktionieren wird. Aber es wird nicht das erste Gesetz der Technologie sein, das verschwindet.
Das Mooresche Gesetz bestimmt seit Jahrzehnten das Tempo der technologischen Entwicklung. Aber was passiert, wenn die physischen Grenzen erreicht sind?
Was ist jemals mit Dennard Scaling passiert?
Im Jahr 1974 stellte der IBM-Forscher Robert Dennard fest, dass der Stromverbrauch bei schrumpfenden Transistoren proportional zu ihrer Fläche bleibt.
Die so genannte Dennard-Skalierung bedeutete, dass die Transistorfläche alle 18 Monate um 50 Prozent reduziert wurde, was zu einer Erhöhung der Taktrate um 40 Prozent führte, jedoch bei gleichem Stromverbrauch.
Mit anderen Worten, die Anzahl der Berechnungen pro Watt würde exponentiell, aber zuverlässig zunehmen, und Transistoren würden schneller, billiger und weniger Strom verbrauchen.
Im Zeitalter der Dennard-Skalierung war die Verbesserung der Leistung für Chiphersteller ein vorhersehbarer Prozess. Sie haben gerade mehr Transistoren zu CPUs hinzugefügt und die Taktfrequenzen erhöht.
Dies war auch für den Verbraucher leicht zu verstehen: Ein Prozessor mit 3,0 GHz war schneller als einer mit 2,0 GHz, und die Prozessoren wurden immer schneller. In der Tat würde die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), sobald die vorhergesagten Taktraten erreicht sind 12 GHz bis 2013!
Heute haben die besten Prozessoren auf dem Markt eine Grundfrequenz von nur 4,1 GHz. Was ist passiert?
Das Ende der Dennard-Skalierung
Die Taktraten blieben um 2004 im Schlamm stecken, als die Reduzierung des Stromverbrauchs nicht mehr mit der Schrumpfrate der Transistoren Schritt hielt.
Die Transistoren wurden zu klein, und der elektrische Strom trat aus, was zu Überhitzung und hohen Temperaturen führte, was zu Fehlern und Geräteschäden führte. Das ist einer der Gründe warum Ihr Computerchip einen Kühlkörper hat. Dennard Scaling hatte Grenzen erreicht, die durch die Gesetze der Physik vorgegeben waren.
Mehr Kerne, mehr Probleme
Da Kunden und ganze Branchen an kontinuierliche Geschwindigkeitsverbesserungen gewöhnt waren, brauchten die Chiphersteller eine Lösung. Daher fügten sie Prozessoren Kerne hinzu, um die Leistung weiter zu steigern.
Mehrere Kerne sind jedoch nicht so effektiv wie das einfache Erhöhen der Taktraten bei Single-Core-Einheiten. Die meisten Programme können Multiprocessing nicht nutzen. Speicher-Caching und Stromverbrauch sind zusätzliche Engpässe.
Die Umstellung auf Multicore-Chips kündigte auch die Ankunft von dunklem Silizium an.
Das dunkle Zeitalter des Siliziums
Es stellte sich schnell heraus, dass bei gleichzeitiger Verwendung zu vieler Kerne der elektrische Strom auslaufen kann, wodurch das Überhitzungsproblem wiederbelebt wird, durch das die Dennard-Skalierung auf Single-Core-Chips zunichte gemacht wurde.
Das Ergebnis sind Multicore-Prozessoren, die nicht alle Kerne gleichzeitig verwenden können. Je mehr Kerne Sie hinzufügen, desto mehr Transistoren eines Chips müssen ausgeschaltet oder verlangsamt werden. Dies wird als "dunkles Silizium" bezeichnet.
Obwohl das Moore'sche Gesetz weiterhin zulässt, dass mehr Transistoren auf einen Chip passen, frisst dunkles Silizium die CPU-Immobilien auf. Daher ist das Hinzufügen weiterer Kerne sinnlos, da Sie nicht alle gleichzeitig verwenden können.
Die Aufrechterhaltung des Mooreschen Gesetzes mit mehreren Kernen scheint eine Sackgasse zu sein.
Wie Moores Gesetz weitergehen könnte
Eine Abhilfe besteht darin, die Software-Mehrfachverarbeitung zu verbessern. Java, C ++ und andere Sprachen, die für einzelne Kerne entwickelt wurden, weichen solchen wie Go, die besser gleichzeitig ausgeführt werden können.
Eine weitere Option ist die zunehmende Verwendung von FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), einer Art anpassbarem Prozessor, der nach dem Kauf für bestimmte Aufgaben neu konfiguriert werden kann. Beispielsweise könnte ein FPGA von einem Kunden für die Verarbeitung von Videos optimiert oder speziell für die Ausführung von Anwendungen mit künstlicher Intelligenz angepasst werden.
Der Bau von Transistoren aus verschiedenen Materialien wie Graphen ist ein weiterer Bereich, der untersucht wird, um mehr Leben aus Moores Vorhersage herauszuholen. Und auf der ganzen Linie kann Quantencomputer das Spiel insgesamt verändern.
Die Zukunft gehört zu Koomeys Gesetz
Im Jahr 2011 zeigte Professor Jonathan Koomey, dass die Energieeffizienz bei Spitzenleistung (die Effizienz eines Prozessors, der mit Höchstgeschwindigkeit läuft) die durch das Mooresche Gesetz beschriebene Verarbeitungsleistung widerspiegelt.
Koomeys Gesetz stellte fest, dass sich die Berechnungen pro Joule Energie von den Vakuumröhrentieren der 1940er Jahre bis zu den Laptops der 1990er Jahre alle 1,57 Jahre zuverlässig verdoppelt hatten. Mit anderen Worten, die von einer bestimmten Aufgabe verwendete Batterie halbierte sich alle 19 Monate, was dazu führte, dass die für eine bestimmte Berechnung benötigte Energie alle zehn Jahre um den Faktor 100 sank.
Während Moores Gesetz und Dennard-Skalierung in einer Welt von Desktops und Laptops von enormer Bedeutung waren, ist die Art und Weise, wie wir sie verwenden Die Prozessoren haben sich so stark verändert, dass die durch das Koomey-Gesetz versprochene Energieeffizienz wahrscheinlich relevanter ist Sie.
Ihre Computerlebensdauer ist wahrscheinlich auf viele Geräte aufgeteilt: Laptops, Handys, Tablets und verschiedene Geräte. In dieser Ära von Proliferate ComputingDie Akkulaufzeit und die Leistung pro Watt werden immer wichtiger, als mehr GHz aus unseren Prozessoren mit vielen Kernen herauszuholen.
Da ein Großteil unserer Verarbeitung in riesige Cloud-Computing-Rechenzentren ausgelagert ist, sind die Auswirkungen des Koomeyschen Gesetzes auf die Energiekosten für Technologiegiganten von großem Interesse.
Seit dem Jahr 2000 hat sich die durch das Koomey-Gesetz beschriebene branchenweite Verdoppelung der Energieeffizienz jedoch aufgrund des Endes der Dennard-Skalierung und der Verlangsamung des Moore-Gesetzes verlangsamt. Koomeys Gesetz liefert jetzt alle 2,6 Jahre, und im Laufe eines Jahrzehnts steigt die Energieeffizienz um den Faktor 16 statt um den Faktor 100.
Es mag verfrüht sein zu sagen, dass Koomeys Gesetz Dennard und Moore bereits bis in den Sonnenuntergang folgt. Im Jahr 2020 berichtete AMD, dass die Energieeffizienz seines AMD Ryzen 7 4800H-Prozessors um den Faktor 1 gestiegen ist 31.7 Im Vergleich zu den CPUs von 2014 hat Koomey's Law einen zeitnahen und erheblichen Schub erhalten.
Verbunden: Apples neuer M1-Chip ist ein Game Changer: Alles, was Sie wissen müssen
Effizienz neu definieren, um Koomeys Gesetz zu erweitern
Die Spitzenleistungseffizienz ist nur eine Möglichkeit zur Bewertung der Recheneffizienz und eine, die möglicherweise veraltet ist.
Diese Metrik war in den letzten Jahrzehnten sinnvoller, als Computer knapp und kostspielig waren und von Benutzern und Anwendungen an ihre Grenzen gestoßen wurden.
Heutzutage arbeiten die meisten Prozessoren nur für einen kleinen Teil ihres Lebens mit Höchstleistung, wenn sie beispielsweise ein Videospiel ausführen. Andere Aufgaben, wie das Überprüfen von Nachrichten oder das Surfen im Internet, erfordern viel weniger Strom. Daher wird die durchschnittliche Energieeffizienz in den Mittelpunkt gerückt.
Koomey hat diese „typische Nutzungseffizienz“ berechnet, indem die Anzahl der pro Jahr durchgeführten Operationen durch dividiert wurde die insgesamt verbrauchte Energie und argumentiert, dass sie den in seinem Original verwendeten Standard "Peak-Use Efficiency" ersetzen sollte Formulierung.
Obwohl die Analyse noch veröffentlicht werden muss, wird zwischen 2008 und 2020 eine typische Nutzungseffizienz erwartet verdoppelte sich etwa alle 1,5 Jahre und brachte Koomeys Gesetz auf die optimale Rate zurück, die zu sehen war, als Moores Gesetz in Kraft war Prime.
Eine Implikation des Koomeyschen Gesetzes ist, dass Geräte weiterhin kleiner und weniger energieintensiv werden. Schrumpfende - aber immer noch schnelle - Prozessoren haben möglicherweise bald eine so geringe Leistung, dass sie zeichnen können ihre Energie direkt aus der Umgebung, wie Hintergrundwärme, Licht, Bewegung und andere Quellen.
Solche allgegenwärtigen Verarbeitungsgeräte haben das Potenzial, das wahre Zeitalter des Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) einzuleiten und Ihr Smartphone so antiquiert aussehen zu lassen wie die Vakuumröhren-Giganten der 1940er Jahre.
Da Wissenschaftler und Ingenieure jedoch immer mehr neue Techniken entdecken und implementieren, um die „Effizienz der typischen Nutzung“ zu optimieren, wird dieser Teil Der Gesamtenergieverbrauch eines Computers sinkt wahrscheinlich so stark, dass bei typischen Nutzungsniveaus nur die Spitzenleistung signifikant genug ist, um messen.
Der Spitzenverbrauch wird erneut zum Maßstab für die Energieeffizienzanalyse. In diesem Szenario wird Koomeys Gesetz schließlich auf dieselben Gesetze der Physik stoßen, die Moores Gesetz verlangsamen.
Diese Gesetze der Physik, zu denen auch der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gehört, bedeuten, dass das Koomeysche Gesetz um 2048 enden wird.
Quantum Computing wird alles verändern
Die gute Nachricht ist, dass das Quantencomputing bis dahin gut entwickelt sein sollte und Transistoren auf einzelnen Atomen basieren sollten alltäglich, und eine neue Generation von Forschern wird eine ganze Reihe anderer Gesetze entdecken müssen, um die Zukunft von vorherzusagen Computing.
Wenn Sie einen Gaming-PC bauen und zwischen AMD- und Intel-CPUs hin- und hergerissen sind, ist es Zeit zu erfahren, welcher Prozessor für Ihr Gaming-Rig am besten geeignet ist.
- Technologie erklärt
- Zentralprozessor
- Intel
- AMD-Prozessor
- Moores Gesetz
Joe McCrossan ist freiberuflicher Schriftsteller, freiwilliger Tech-Trouble-Shooter und Amateur-Fahrradreparaturmann. Er mag Linux, Open Source und alle Arten von zauberhaften Innovationen.
Abonniere unseren Newsletter
Melden Sie sich für unseren Newsletter an, um technische Tipps, Rezensionen, kostenlose E-Books und exklusive Angebote zu erhalten!
Noch ein Schritt…!
Bitte bestätigen Sie Ihre E-Mail-Adresse in der E-Mail, die wir Ihnen gerade gesendet haben.
