Недавно прошёл юбилей закона, который вот уже 50 лет как движет развитие микроэлектроники вперёд, побуждая инженеров творить чудеса и увеличивать производительность компьютеров год за годом. Юбилей закона, который каждая IT-компания, независимо от того, софтовая она или хардовая, старается поддержать и подтвердить ещё день, месяц, год. Юбилей закона Мура.

Кто такой Мур и какое влияние он оказал на микроэлектронику?

Гордон Эрл Мур родился в 1929 году в Сан-Франциско, вырос в небольшом городке Пескадеро, в 1950 стал бакалавром химии в Беркли, спустя четыре года успешно защитил докторскую степень в области химии и физики в Калифорнийском технологическом институте. И ничто не выделяло бы его из сотен таких же выпускников, если бы не его сосредоточенность на деле. Перед тем как основать Intel, Мур работал в данной области почти двенадцать лет: сначала Shockley Semiconductor Laboratory в Пало-Альто; Гордон Мур ушёл из “Шокли” из-за несогласия с её основателем, Уильямом Шокли, который хотел прекратить исследования кремниевых полупроводников. Не найдя компромиссов с руководством, он и ещё семь талантливых инженеров основали одну из крупнейших на тот момент компаний по работе с кремниевыми транзисторами Fairchild Semiconductors. Спустя 12 лет Fairchild Semiconductor стала одним из ведущих производителей операционных усилителей и других аналоговых интегральных микросхем, но материнская компания начала ограничивать возможности своей «дочки», после чего опытные сотрудники начали увольняться, сама Fairchild Semiconductor быстро пришла в упадок и потеряла долю на рынке, а Гордон Мур вместе с Робертом Нойсом (автором патента на интегральную схему) основал компанию Intel.

Закон Мура: предпосылки и наблюдения

Закон Мура не сразу сформировался таким, каким мы его знаем, но, как и всякий закон, он основывался на наблюдении. Первая формулировка (1965 год) была найдена случайно. Готовясь к очередному выступлению, Гордон Мур пытался вычислить, сколько будет стоить произвести один элемент на микросхеме в зависимости от того, сколько элементов суммарно будет на ней находиться. Зависимость нашлась, причём (как и во многих других отраслях) оказалось, что существует некое оптимальное среднее значение, при котором стоимость одного элемента вычислительной схемы минимальна.

Кроме этого, он заметил, что из года в год, во-первых, уменьшается стоимость одного элемента, а во-вторых, количество элементов на одном кристалле растёт. Также Мур отметил, что более продвинутые модели микросхем появлялись приблизительно спустя год после предшественников, при этом количество транзисторов на них удваивалось.

Связано это было как с бурным развитием микроэлектроники, так и с растущими потребностями индустрии. Спустя десять лет микропроцессоры стали доступнее, производились в куда больших количествах, чем ранее, и Гордон Мур внёс в свой закон небольшие изменения: число транзисторов удваивается каждые два года. Связано это было в первую очередь с экономической составляющей высокотехнологичных производств: разработка новинок стоит денег и новинки необходимо успевать окупить.

Слишком частый выпуск новых продуктов приводил бы к тому, что доля исследований и разработок в затратах на выпуск единицы продукции сильно росла, и компания не могла извлечь достаточно прибыли для дальнейшего развития. Слишком редкий выпуск новых продуктов открывал дорогу конкурентам и тем, кто решил рискнуть и выпустить свой продукт раньше других. Таким образом вся индустрия пришла к рациональному циклу развития, который работает вот уже 50 лет.

Экспоненциальная зависимость и рост вычислительных мощностей нашли своё отражение во многих смежных областях. Некоторые другие предсказания Гордона Мура тоже оправдались, но они не столь известны и популярны.

Чего достигла микроэлектроника

С начала семидесятых годов микроэлектроника сильно шагнула вперёд. Сложно представить, но производительность и энергоэффективность кое-где опередили даже смелые прогнозы, основанные на законе Гордона Мура:

Если сравнивать прогресс в микроэлектронике с прогрессом в механике и других областях прикладной науки, то сложно даже описать, насколько быстро растёт та сфера, которой занимается Intel.

Для сравнения возьмём Boeing 747. Первый полёт состоялся в 1969 году, то есть он почти ровесник нашего юбиляра. По ценам начала семидесятых самолет стоил в районе $30 млн. Если бы авиапромышленность развивалась теми же темпами, то к нынешнему году аналог 747 стоил бы не миллионы, а тысячи долларов, облетал наш с вами глобус за 20 минут, при этом тратил порядка 20 литров топлива на весь полет. При длине экватора ~ в 40 000 км полёт на высоте уровня моря за 20 минут потребовал бы развивать скорость порядка 2 000 километров в минуту (120 000 Км/ч или 33 333.(3) м/с) — а это примерно 1.1% скорости света в вакууме (300 млн м/с).

Отражение Закона Мура в смежных областях

Закон Мура как таковой отражает только рост вычислительной мощности чипов, но что стоит за ростом этой вычислительной мощности? Как повлияло такое развитие на другие сферы человеческой деятельности? Возьмём, к примеру, суперкомпьютеры. Учёным требуются суперсложные вычисления — мы их обеспечиваем.

Рост производительности 500 самых мощных систем получается несколько быстрее, чем экспонента закона:

Стоимость одного из самых сложных “потребительских” вычислений — расшифровки генома человека — снижалась ещё быстрее:

Даже в таком близком и простом для нас с вами понятии, как размер дистрибутива OS, Закон Мура продолжает действовать:

Отражение фундаментального (на сегодняшний день) наблюдения за развитием мира микроэлектроники можно найти практически везде, где она хоть как-нибудь задействована.

Облачные вычисления, мобильная техника, количество подключений к интернет, — эти и многие другие области IT растут по экспоненте вместе с нашими процессорами, и пока не думают останавливаться.

Прогнозы

К сожалению, законы физики сильнее условностей, которые придумали люди, и для Закона Мура есть ограничения. Его пытались похоронить много раз. Да что уж говорить: сам Гордон Мур в 1995 году думал, что к 2005 экономические аспекты производства поставят производителей в такие условия, что закон перестанет выполняться. Когда этого не случилось, он оценил рубеж экспоненциального роста производительности вычислительных систем 2015–2025 годами, но уже из-за технологических ограничений.

Инженеры не раз сталкивались с невозможностью продолжать совершенствование процессоров классическим путём. Упёрлись в тактовую частоту одного ядра — появились многоядерные системы. Ядра простаивают в ожидании новых задач? Появилась виртуальная гиперпоточность. Из имеющейся архитектуры выжали все соки? Можно уменьшить техпроцесс, а с ним тепловыделение, увеличть таковые частоты, и параллельно работать над новым поколением железа.

Если быть точным, то впервые существенно законы физики вмешались уже на техпроцессе в ~200 нм: так как получить изображение меньшее, чем 1/2 длины волны вообще не представляется возможным с точки зрения законов физики. В тот раз нашлось простое и элегантное решение: нельзя сделать маски “мельче” — пусть изображение формируется в несколько этапов с использованием разных масок для каждого из них:

Мало будет двух раз? Сделаем и четыре прохода, и восемь. К сожалению, уменьшать технологический размер элементов и работать со всё более и более тонкими структурами рано или поздно начнут мешать ограничения, которые мы пока не в силах преодолеть. Но наша задача — отсрочить этот момент как можно дальше.

Intel Xeon E7 v3

В день юбилея закона Мура мы решили в очередной раз подтвердить его на практике и представили новое поколение серверных процессоров Intel Xeon E7 третьего поколения.

Если сравнивать новые процессоры Intel с популярными RISC-чипами других производителей, то цифры просто удивительные:

Новое семейство процессоров во многом превосходит модели предыдущего поколения:

Xeon’ы у наших друзей

Один из наших крупнейших партнёров, компания HP, отметила, что системы на основе архитектуры x86_64 всё плотнее проникают в сегмент бизнес-критичных платформ:

Причина такого изменения, разумеется, в деньгах. Суммарное снижение TCO (совокупной стоимости владения) ниже аналогичных RISC-платформ с *NIX на борту примерно на треть.

Применение процессоров Intel Xeon и Xeon PHI позволило другому нашему партнёру, компании РСК, создать уникальные вычислительные системы: RSC PetaStream и «РСК Торнадо»:

Энергетическая плотность RSC PetaSteram — 400+ кВт на шкаф. И ведь это тепло выделится в процессе работы – его необходимо собрать, отвести и сделать это максимально эффективно. Для сравнения, мощность известного на постсоветском пространстве грузового электровоза ВЛ85 — порядка 10 000 кВт.

Комплекс RSC PetaSteram по-настоящему уникальный и эффективный продукт, которым компания РСК может гордиться по праву. Системы RCS PetaStream и «РСК Торнадо» уже работают в российских научных и образовательных учреждениях.

Заключение

Закону Мура уже пятьдесят лет. Пятьдесят лет ведущие мировые производители удваивают количество элементов на чипах каждые два года, пятьдесят лет они обеспечивают рост производительности и, что самое важное, рост требований к вычислительным мощностям. С точки зрения науки, медицины, обработки данных в области бизнеса и обучения — чем больше у человека есть сегодня — тем большего он может достичь завтра и тем больше он захочет через два дня. Оставайтесь на связи, и пусть Закон Мура принесёт экспоненциальный рост и в вашу деятельность.