ENIAC kompiuteris

Kaskart dvigubai sunkiau

Kaskart dvigubai sunkiau

Praėjo 50 nuostabių metų, ir Moore’o dėsniui, kuris teigia, kad kas dvejus metus galima pagaminti dvigubai galingesnį kompiuterį už tą pačią kainą, ima stigti parako. „The Economist“ domisi, kas gali jį pakeisti.

1971 m. pasirodė pirmasis nedidelės įmonės, žinomos kaip „Intel“, pagamintas mikroprocesorius 4004. Šiame 12 kv. milimetrų dydžio luste tilpo 2,3 tūkst. tranzistorių – mažyčių elektrinių jungiklių, išreiškiančių vienetus ir nulius, kurie sudaro kompiuterių kalbos pagrindą. Tranzistorius skyrė 10 tūkst. nanometrų (milijardųjų metro dalių) tarpai – maždaug raudonojo kraujo kūnelio dydžio. Šis miniatiūrizacijos stebuklas anuomet dar buvo artimas žmogaus masteliams. Vaikui būtų pakakę apygerio mikroskopo, kad galėtų suskaičiuoti visus 4004 tranzistorius.

Šiandien „Intel“ gaminamų „Skylake“ lustų tranzistorių nebeapžiūrėtum. Patys lustai dešimt kartų didesni už 4004, bet vos kas 14 nanometrų išdėstyti tranzistoriai tapo neįžiūrimi, nes jie daug mažesni už žmogaus akiai matomas ir mikroskopų naudojamas šviesos bangas. Jei 4004 sudarančius tranzistorius prilygintume žmogaus ūgiui, „Skylake“ komponentai atitiktų skruzdėlės dydį.

Jei 4004 sudarančius tranzistorius prilygintume žmogaus ūgiui, „Skylake“ komponentai atitiktų skruzdėlės dydį.

Skirtumas tarp 4004 ir „Skylake“ – tai skirtumas tarp milžiniškų, visą rūsį užimančių kompiuterių ir nedidelių, stilingų, 100 tūkst. kartų galingesnių plokščių aparatų, kurie telpa kišenėje. Tai skirtumas tarp telefonijos sistemų, kurių grandines komutuoja griozdiški elektromechaniniai jungikliai, ir interneto, kuriuo po pasaulį nepaliaujamai nardo trilijonai duomenų paketų. Tai pakeitė viską – nuo kalvystės iki užsienio politikos, nuo atostogų rezervavimo iki vandenilinių bombų projektavimo.

Šį skirtumą lengva išreikšti matematiškai. Gordonas Moore’as, vėliau tapęs vienu lustų gamintojos „Intel“ įkūrėjų, 1965 m. savo darbe teigė, kad į integrinį grandyną telpančių elektroninių komponentų skaičius kasmet padvigubėja. Šis eksponentinis augimas pramintas Moore’o dėsniu.

XX a. 8-ajame dešimtmetyje eksponentinio augimo tempas sumažintas iki karto per dvejus metus. Vis dėlto būtų prireikę daug drąsos, kad 1971 m. pažiūrėjęs į vieną „Intel“ pagamintų 4004 galėtumei patikėti, jog dar 44 metus toks dėsnis liks aktualus. Pagaliau padvigubink ką nors 22 sykius ir turėsi 4 mln. kartų daugiau, o gal 4 mln. kartų geriau. Būtent taip ir nutiko. „Intel“ neskelbia informacijos, kiek tranzistorių yra „Skylake“ lustuose, bet 4004 buvo sudarytas iš 2,3 tūkst. komponentų, o 2014-aisiais „Intel“ pristatytame „Xeon Haswell E-5“ jų yra daugiau nei 5 mlrd., išdėstytų vos kas 22 nanometrus.

Moore’o dėsnis nėra toks pat kaip, tarkime, suformuluotas Newtono. Bet „Intel“, kuri jau ne vieną dešimtmetį yra pagrindinė mikroprocesorių gamintoja, ir kiti sektoriaus atstovai pasistengė, kad jis taptų savaime išsipildančia pranašyste.

Reikšmingiausiai prisidėjo tranzistoriams būdinga neįprasta ypatybė – kuo jie mažesni, tuo geresni. Palyginti su didesniais, mažesniems įjungti ir išjungti reikia mažiau energijos, taip pat išauga proceso sparta. Vadinasi, galima pagaminti didesnių ir geresnių lustų, nes įdiegus daugiau ir spartesnių tranzistorių nereikėjo daugiau energijos ir neišaugo atliekinės šilumos kiekis.

Didinti lustus ir mažinti tranzistorius nebuvo lengva. Ištisus dešimtmečius puslaidininkių gamintojos milžiniškas sumas skiria moksliniams tyrimams ir eksperimentinei plėtrai (MTEP), taip pat gerokai pabrango lustų gamybos kompleksai. Bet kaskart sumažėjus tranzistoriams ir padidėjus su jais pagamintų lustų spartai ir galimybėms, šoktelėjo jų paklausa, todėl bendrovės galėjo susigrąžinti MTEP skirtas lėšas ir vėl investuoti į naujus gabaritų mažinimo tyrimus.

Ne kartą pranašauta, kad tai ilgai nesitęs. „Yra dėsnis apie Moore’o dėsnį, – juokauja „Microsoft Research“ viceprezidentas Peteris Lee. – Kas dvejus metus atsiranda dvigubai daugiau žmonių, kurie pranašauja Moore’o dėsnio galą.“ Bet kompiuterių pramonė pradeda vis aiškiau suvokti, kad patrakęs šokis greitai baigsis. Jau kurį laiką dar labiau mažinant tranzistorių matmenis nebepaauga jų energinis efektyvumas, todėl nuo praėjusio dešimtmečio vidurio aukštos klasės lustų darbinė sparta nebekinta (žr. grafiką). Be to, menkstant mažinimo naudai, kyla sąnaudos.

Yra dėsnis apie Moore’o dėsnį. Kas dvejus metus atsiranda dvigubai daugiau žmonių, kurie pranašauja Moore’o dėsnio galą.

Labiausiai dėl to, kad komponentai artėja prie fundamentalios mažumo ribos – atomo. „Skylake“ tranzistorių skersmuo – apie 100 atomų, o kuo mažiau atomų, tuo sunkiau kaupti elektroninius vienetus ir nulius, jais manipuliuoti. Dabar mažesniems tranzistoriams reikia sudėtingesnio dizaino ir papildomų medžiagų. Kadangi gaminti lustus sunkiau, vis daugiau kainuoja įrengti jų gamybos kompleksus.

„International Business Strategies“ vadovas Handelis Jonesas skaičiuoja, kad naujausių mikroprocesorių gamybos kompleksas šiandien atsieina apie 7 mlrd. JAV dolerių. Jo manymu, kai sektorius jau gamins 5 nanometrų lustus (vertinant pagal ankstesnį pažangos tempą, to galima tikėtis trečiojo šio amžiaus dešimtmečio pradžioje), ši kaina gali perkopti 16 mlrd. JAV dolerių, o tai beveik trečdalis dabartinių metinių „Intel“ pajamų, kurios 2015 m. siekė 55,4 mlrd. JAV dolerių, arba tik 2 proc. daugiau nei 2011-aisiais. Kadangi uždarbis auga taip lėtai, o sąnaudos didėja šuoliais, peršasi akivaizdi išvada. „Ekonominiu atžvilgiu Moore’o dėsniui atėjo galas“, – tvirtino Linley Gwennapas, vadovaujantis Silicio slėnio analitikų bendrovei „Linley Group“.

Pažanga jau kurį laiką stringa. Marcas Sniras, superkompiuterių ekspertas iš Argono nacionalinės laboratorijos Ilinojuje (JAV), teigia, kad bendrai rengiamame sektoriaus dokumente – Tarptautinėse puslaidininkių technologijų gairėse, – skirtame artimiausiai lustų gamybos ateičiai prognozuoti, jau dešimtmetį pateikiami perdėtai optimistiniai vertinimai. Sukurti pažadėtas gamybos inovacijas pasirodė sunkiau, nei tikėtasi, jos vėlavo kelerius metus arba apskritai neišvydo pasaulio.

„Intel“ vadovas Brianas Krzanichas viešai pripažino, kad bendrovei einasi lėčiau. Ji taiko dvimetę „tik-tak“ strategiją: vienais metais pristato lustą su mažesniais tranzistoriais („tik“), antrais patobulina lusto dizainą („tak“) ir ruošiasi vėl mažinti tranzistorius. Bet kai 2014 m. rinką pagaliau pasiekė pirmieji šios bendrovės 14 nanometrų lustai kodiniu pavadinimu „Broadwell“, buvo vėluojama veik metus. Nukeltas ir 10 nanometrų lustą paskelbsiantis „tiktelėjimas“, turėjęs būti po „Skylake“ „taktelėjimo“. „Intel“ teigimu, tokių produktų neverta tikėtis be 2017 m. Anot analitikų, dėl technologinių nesklandumų bendrovės ciklas išsitęsė iki „tik-tak-tak“. Panašių problemų patiria ir kitos stambios lustų gamintojos.

Moore’o dėsnis dar nepasiekė kelio galo. Lustų gamintojos leidžia milijardus naujam dizainui ir medžiagoms, kad tik pavyktų įtikinti tranzistorius dar mažumėlę susitraukti ir būtų galima įveikti dar kelis eksponentinius laiptelius. Be to, bendrovės tiria, kaip pagerinti parametrus pritaikant dizainą ir sumaniau programuojant. Anksčiau, nepaliaujamai didinant skaičiuojamąją galią, nebuvo rimtų paskatų eksperimentuoti su kitokiais patobulinimais.

Kiti keliai

Radikalesniame fronte yra tokių, kurie tikisi perdirbti patį kompiuterį. Pavyzdžiui, įdarbinus kvantinę mechaniką, tam tikrus skaičiavimus atlikti tokia sparta, apie kokią klasikiniams prietaisams galima tik pasvajoti. Remiantis antra idėja, siūloma imituoti biologines smegenis, kurios atlieka įspūdingą darbą, o sunaudoja labai mažai energijos. Dar vienas variantas – išskirstyti kompiuterio galią, užuot koncentravus, galimybę skaičiuoti ir komunikuoti paskirstyti įvairiems kasdieniams objektams, vis daugiau jų įtraukiant į neseniai atsiradusį daiktų internetą.

Moore’o dėsnyje neregėtu būdu susipynė žaibiškas progresas ir tikrumas dėl netolimos ateities. Nykstant tikrumui, tai gali atsiliepti ne tik lustų gamintojoms, kurioms kils papildomų iššūkių ir atsiras naujų sąnaudų. Kai pasaulyje tiek daug dalykų – nuo kreiserinio oro lainerių greičio iki darbo užmokesčio medianos – atrodytų, nesikeičia ištisus dešimtmečius, būtent su eksponentiškai augančia skaičiuojamąja galia ateities planus sieja įvairiausius daiktus – nuo papildytosios realybės sistemų iki savavaldžių automobilių – kuriančios technologijų gamintojos. Dar svarbiau, kad vaizduotėje tai įsitvirtino kaip pačios pažangos simbolis. Jei ko nors panašaus nebūtų įmanoma išgelbėti, pasaulyje taptų liūdniau.

Bet yra tokių, kurie sunkiau nuspėjamame pasaulyje mato naudos, nes atsiveria galimybė įsitvirtinti aibėms visokiausių naujų kompiuterinių technologijų. „Moore’o dėsnio galas gali tapti lūžio tašku, – mano M. Lee iš „Microsoft“. – Tikrai nestigs iššūkių, bet sykiu tai proga imtis naujų krypčių ir padaryti realų perversmą.“

Daugiau leidinio naujienų