أسرع وأرق وأرخص: هل قانون كومي هو قانون مور الجديد؟

تصبح أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والهواتف المحمولة ، والأجهزة اللوحية أرخص ، وأكثر أناقة ، وأكثر قوة كل عام ، بينما يستمر عمر البطارية في الإطالة. هل تساءلت يومًا عن سبب حدوث ذلك وما إذا كانت الأجهزة يمكن أن تستمر في التحسن إلى الأبد؟

تم توضيح الإجابة على السؤال الأول من خلال ثلاثة قوانين اكتشفها الباحثون ، تُعرف باسم قانون مور ، وقياس دينارد ، وقانون كومي. تابع القراءة لفهم تأثير هذه القوانين على الحوسبة وإلى أين قد تقودنا في المستقبل.

ما هو قانون مور؟

إذا كنت قارئًا منتظمًا لـ MakeUseOf ، فربما تكون على دراية بقانون مور الأسطوري.

قدمه الرئيس التنفيذي لشركة إنتل والمؤسس المشارك جوردون مور لأول مرة في عام 1965.

وتوقع أن عدد الترانزستورات الموجودة على رقاقة سيتضاعف كل عامين تقريبًا وسيصبح أرخص بنسبة تتراوح بين 20 و 30 بالمائة سنويًا. تم إصدار أول معالج إنتل في عام 1971 مع 2250 ترانزستور ومساحة 12 ملم². تحتوي وحدات المعالجة المركزية (CPU) اليوم على مئات الملايين من الترانزستورات لكل مليمتر مربع.

في حين أنها بدأت كتنبؤ ، تبنت الصناعة أيضًا قانون مور كخريطة طريق. لمدة خمسة عقود ، سمحت إمكانية التنبؤ بالقانون للشركات بصياغة استراتيجيات طويلة الأجل ، مع العلم أن ، حتى لو كانت تصاميمهم مستحيلة في مرحلة التخطيط ، فإن قانون مور سوف يسلم البضائع في الوقت المناسب الوقت الحاضر.

كان لهذا تأثير غير مباشر في العديد من المجالات ، من رسومات الألعاب التي تتحسن باستمرار إلى العدد المتضخم للميغابكسل في الكاميرات الرقمية.

ومع ذلك ، فإن القانون له مدة صلاحية ، ومعدل التقدم يتباطأ. على الرغم من استمرار صانعي الرقائق إيجاد طرق جديدة حول حدود رقائق السيليكون، مور نفسه يعتقد أنه لن يعمل بحلول نهاية هذا العقد. لكنه لن يكون أول قانون للتكنولوجيا يختفي.

عندما ينتهي قانون مور: 3 بدائل لرقائق السيليكون

فرض قانون مور وتيرة التطور التكنولوجي لعقود. ولكن ماذا يحدث عندما يتم الوصول إلى حدوده المادية؟

ماذا حدث لـ Dennard Scaling؟

في عام 1974 ، لاحظ الباحث في شركة IBM Robert Dennard أنه مع تقلص الترانزستورات ، يظل استخدامها للطاقة متناسبًا مع منطقتها.

مقياس Dennard ، كما أصبح معروفًا ، يعني أن مساحة الترانزستور تقل بنسبة 50 بالمائة كل 18 شهرًا ، مما أدى إلى زيادة سرعة الساعة بنسبة 40 بالمائة ، ولكن بنفس المستوى من استهلاك الطاقة.

بعبارة أخرى ، سيزداد عدد العمليات الحسابية لكل واط بمعدل أسي ولكن يمكن الاعتماد عليه ، وستصبح الترانزستورات أسرع وأرخص وتستخدم طاقة أقل.

في عصر Dennard Scaling ، كان تحسين الأداء عملية يمكن التنبؤ بها لصانعي الرقائق. لقد قاموا فقط بإضافة المزيد من الترانزستورات إلى وحدات المعالجة المركزية وزيادة ترددات الساعة.

كان من السهل أيضًا على المستهلك فهم ذلك: كان المعالج الذي يعمل بسرعة 3.0 جيجاهرتز أسرع من المعالج الذي يعمل بسرعة 2.0 جيجاهرتز ، واستمرت المعالجات في الزيادة. في الواقع ، توقعت خارطة طريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات (ITRS) ذات مرة أن تصل معدلات الساعة 12 جيجا هرتز بحلول عام 2013!

ومع ذلك ، تتمتع أفضل المعالجات في السوق اليوم بتردد أساسي يبلغ 4.1 جيجاهرتز فقط. ماذا حدث؟

نهاية مقياس Dennard

علقت سرعات الساعة في الوحل حوالي عام 2004 عندما توقفت التخفيضات في استخدام الطاقة عن مواكبة معدل انكماش الترانزستورات.

أصبحت الترانزستورات صغيرة جدًا ، وبدأ التيار الكهربائي في التسرب ، مما تسبب في ارتفاع درجة الحرارة وارتفاع درجات الحرارة ، مما أدى إلى حدوث أخطاء وتلف المعدات. هذا أحد الأسباب لماذا تحتوي شريحة الكمبيوتر على المشتت الحراري. وصل Dennard Scaling إلى الحدود التي تمليها قوانين الفيزياء.

المزيد من النوى ، المزيد من المشاكل

مع اعتياد العملاء والصناعات بأكملها على التحسينات المستمرة في السرعة ، احتاج مصنعو الرقائق إلى حل. لذلك ، بدأوا في إضافة النوى إلى المعالجات كطريقة للحفاظ على زيادة الأداء.

ومع ذلك ، فإن النوى المتعددة ليست فعالة مثل زيادة سرعات الساعة في الوحدات أحادية النواة. لا يمكن لمعظم البرامج الاستفادة من المعالجة المتعددة. يعتبر التخزين المؤقت للذاكرة واستهلاك الطاقة من الاختناقات الإضافية.

كما أدى الانتقال إلى الرقائق متعددة النواة إلى وصول السيليكون الداكن.

العصر المظلم للسيليكون

سرعان ما أصبح واضحًا أنه إذا تم استخدام عدد كبير جدًا من النوى في وقت واحد ، يمكن أن يتسرب التيار الكهربائي ، مما يؤدي إلى إحياء مشكلة السخونة الزائدة التي قتلت تحجيم Dennard على رقائق أحادية النواة.

والنتيجة هي معالجات متعددة النواة لا يمكنها استخدام كل النوى مرة واحدة. كلما أضفت عددًا أكبر من النوى ، زاد عدد ترانزستورات الشريحة التي يجب إيقاف تشغيلها أو إبطاء سرعتها ، في عملية تُعرف باسم "السيليكون الداكن".

لذلك ، على الرغم من أن قانون مور يستمر في السماح بتركيب المزيد من الترانزستورات على شريحة ، فإن السيليكون الداكن يتآكل في عقارات وحدة المعالجة المركزية. لذلك ، تصبح إضافة المزيد من النوى غير مجدية ، حيث لا يمكنك استخدامها جميعًا في نفس الوقت.

يبدو أن الحفاظ على قانون مور باستخدام نوى متعددة هو طريق مسدود.

كيف يمكن أن يستمر قانون مور

أحد العلاجات هو تحسين المعالجة المتعددة للبرامج. Java و C ++ واللغات الأخرى المصممة لنواة واحدة ستفسح المجال للغات مثل Go ، والتي تعمل بشكل أفضل في نفس الوقت.

هناك خيار آخر وهو زيادة استخدام مصفوفات البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) ، وهو نوع من المعالجات القابلة للتخصيص التي يمكن إعادة تكوينها لمهام محددة بعد الشراء. على سبيل المثال ، يمكن تحسين FPGA بواسطة العميل للتعامل مع الفيديو أثناء أو يمكن تكييفه بشكل خاص لتشغيل تطبيقات الذكاء الاصطناعي.

يعد بناء الترانزستورات من مواد مختلفة ، مثل الجرافين ، مجالًا آخر يتم التحقيق فيه لاستخراج المزيد من الحياة خارج تنبؤات مور. وعلى طول الخط ، قد تغير الحوسبة الكمومية اللعبة تمامًا.

المستقبل ينتمي إلى قانون كومي

في عام 2011 ، أظهر البروفيسور جوناثان كومي أن كفاءة طاقة الذروة (كفاءة المعالج الذي يعمل بأقصى سرعة) تعكس مسار طاقة المعالجة الذي وصفه قانون مور.

لاحظ قانون كومي أنه ، بدءًا من الوحوش ذات الأنابيب المفرغة في الأربعينيات وحتى أجهزة الكمبيوتر المحمولة في التسعينيات ، تضاعفت الحسابات لكل جول من الطاقة بشكل موثوق كل 1.57 عام. بعبارة أخرى ، تنخفض البطارية المستخدمة في مهمة معينة إلى النصف كل 19 شهرًا ، مما أدى إلى انخفاض الطاقة اللازمة لعملية حسابية معينة بمقدار 100 مرة كل عقد.

بينما كان قانون مور وتوسع دينارد مهمين للغاية في عالم من أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة ، فإن الطريقة التي نستخدمها لقد تغيرت المعالجات كثيرًا لدرجة أن كفاءة الطاقة التي وعد بها قانون Koomey's ربما تكون أكثر صلة بها أنت.

من المحتمل أن تكون حياتك الحاسوبية مقسمة بين العديد من الأجهزة: أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية والأدوات المتنوعة. في هذا العصر تكاثر الحوسبة، أصبح عمر البطارية والأداء لكل واط أكثر أهمية من الضغط على المزيد من الجيجاهرتز خارج معالجاتنا متعددة النواة.

وبالمثل ، مع تعهيد المزيد من عمليات المعالجة لدينا إلى مراكز بيانات الحوسبة السحابية الضخمة ، فإن الآثار المترتبة على تكلفة الطاقة لقانون كومي تحظى باهتمام كبير لعمالقة التكنولوجيا.

ومع ذلك ، منذ عام 2000 ، تباطأت المضاعفة على مستوى الصناعة لكفاءة الطاقة التي وصفها قانون كومي بسبب نهاية مقياس دينارد وتباطؤ قانون مور. يسلم قانون Koomey's الآن كل 2.6 سنة ، وعلى مدار عقد من الزمن ، تزداد كفاءة الطاقة بمقدار 16 فقط ، بدلاً من 100.

قد يكون من السابق لأوانه القول إن قانون كومي يتبع بالفعل قانون دينارد ومور حتى غروب الشمس. في عام 2020 ، ذكرت AMD أن كفاءة استخدام الطاقة لمعالج AMD Ryzen 7 4800H الخاص بها ارتفعت بمقدار عامل 31.7 مقارنة بوحدات المعالجة المركزية لعام 2014 ، مما يمنح قانون Koomey's دفعة كبيرة وفي الوقت المناسب.

متعلق ب: رقاقة M1 الجديدة من Apple ستغير قواعد اللعبة: كل ما تحتاج إلى معرفته

إعادة تعريف الكفاءة لتوسيع قانون كومي

تعد كفاءة طاقة المخرجات القصوى مجرد طريقة واحدة لتقييم كفاءة الحوسبة وقد تكون الآن قديمة.

أصبح هذا المقياس أكثر منطقية في العقود الماضية ، عندما كانت أجهزة الكمبيوتر شحيحة ، وموارد باهظة التكلفة تميل إلى دفعها إلى أقصى حدودها من قبل المستخدمين والتطبيقات.

الآن ، تعمل معظم المعالجات بأعلى أداء لجزء صغير فقط من حياتهم ، عند تشغيل لعبة فيديو ، على سبيل المثال. تتطلب المهام الأخرى ، مثل التحقق من الرسائل أو تصفح الويب ، طاقة أقل بكثير. على هذا النحو ، أصبح متوسط ​​كفاءة الطاقة هو التركيز.

قام كومي بحساب "كفاءة الاستخدام النموذجي" بقسمة عدد العمليات التي يتم إجراؤها سنويًا على إجمالي الطاقة المستخدمة ويجادل بأنه يجب أن يحل محل معيار "كفاءة استخدام الذروة" المستخدم في الأصل صياغة.

على الرغم من أن التحليل لم يُنشر بعد ، فمن المتوقع أن يكون لكفاءة الاستخدام النموذجي بين عامي 2008 و 2020 تضاعف كل 1.5 عام أو نحو ذلك ، مما أدى إلى إعادة قانون كومي إلى المعدل الأمثل الذي شوهد عندما كان قانون مور في نطاقه رئيس.

أحد الآثار المترتبة على قانون كومي هو أن الأجهزة ستستمر في الانخفاض في الحجم وتصبح أقل استهلاكًا للطاقة. قد تنكمش - ولكن لا تزال عالية السرعة - المعالجات منخفضة الطاقة قريبًا بحيث يمكنها الرسم طاقتهم مباشرة من البيئة ، مثل حرارة الخلفية والضوء والحركة وغيرها مصادر.

تتمتع أجهزة المعالجة المنتشرة في كل مكان بالقدرة على الدخول في العصر الحقيقي لإنترنت الأشياء (IoT) وجعل هاتفك الذكي يبدو قديمًا مثل العملاقة ذات الأنابيب المفرغة في الأربعينيات.

ومع ذلك ، بينما يكتشف العلماء والمهندسون ويطبقون المزيد والمزيد من التقنيات الجديدة لتحسين "كفاءة الاستخدام النموذجي" ، هذا الجزء من إجمالي استخدام الطاقة للكمبيوتر من المرجح أن ينخفض ​​كثيرًا لدرجة أنه عند مستويات الاستخدام النموذجي ، ستكون ذروة الإنتاج فقط كبيرة بما يكفي يقيس.

سيصبح استخدام وقت الذروة هو المعيار لتحليل كفاءة الطاقة مرة أخرى. في هذا السيناريو ، سيواجه قانون كومي في النهاية نفس قوانين الفيزياء التي تعمل على إبطاء قانون مور.

هذه القوانين الفيزيائية ، والتي تشمل القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تعني أن قانون كومي سينتهي حوالي عام 2048.

ستغير الحوسبة الكمية كل شيء

والخبر السار هو أنه بحلول ذلك الوقت ، يجب أن تكون الحوسبة الكمومية متطورة بشكل جيد ، بحيث تعتمد الترانزستورات على ذرات مفردة مألوف ، وسيتعين على جيل جديد من الباحثين اكتشاف مجموعة أخرى كاملة من القوانين للتنبؤ بمستقبل الحوسبة.

AMD مقابل. Intel: ما هي أفضل وحدة معالجة مركزية للألعاب؟

إذا كنت تقوم ببناء جهاز كمبيوتر للألعاب وتمزق بين وحدات المعالجة المركزية AMD و Intel ، فقد حان الوقت لمعرفة المعالج الأفضل لجهاز الألعاب الخاص بك.

عن المؤلف