Среди многочисленных эпонимических законов необычайно популярен закон Мура — по упоминаниям в прессе он обошел даже такие известные законы, как Мерфи, Паркинсона и т. п. В медиа активно обсуждается вопрос о том, прекратится ли его действие или нет, и если да, то когда. Волнение по этому поводу легко объяснимо — с законом Мура связывают невероятный прогресс в электронике, наблюдаемый на протяжении последних десятилетий, всеобщую компьютеризацию, изменившую практически все области производства и вообще темпы технического прогресса. Получается, что, задаваясь вопросом о перспективах закона Мура, специалисты на самом деле обеспокоены тем, сохранится ли нынешний темп инноваций, определяющий характер современной экономики в развитых странах. Разночтения в ответах на этот актуальный вопрос современности связаны прежде всего с тем, что именно понимается под законом Мура, — одни авторы связывают с ним предсказанное Аланом Тьюрингом периодическое удвоение производительности компьютеров, другие, более профессиональные, — удвоение числа транзисторов на подложке. Нередко вторые упрекают первых в неграмотности, хотя это не вполне корректно — сегодня важнее не собственно технология, а качества, которые она обеспечивает.

Сам Гордон Мур не придавал особого значения своему наблюдению и всегда называл предугаданную им закономерность «так называемый закон Мура». В оригинальном звучании 1965 года речь идет лишь о периодическом, с интервалом 18 месяцев, удвоении числа всех функциональных элементов — транзисторов, диодов, пассивных компонентов. В уточнении, сделанном в 1975 году, Мур добавил три причины наблюдаемого явления: увеличение размеров кристаллов, уменьшение размеров компонентов, улучшение качества проектирования. Позже Мур увеличил срок удвоения до двух лет, по-прежнему не претендуя на авторство — канонизацией словосочетания «закон Мура» человечество обязано профессору Калифорнийского технологического института, автору программных технологий проектирования больших интегральных микросхем Карверу Миду.

Примечательно, что Мур ничего не сказал о столь существенных для практики показателях, как стоимость, скорость работы, потребление энергии, надежность и др., — все они пришли сами собой в силу другой, менее известной закономерности, предложенной Робертом Деннардом (Dennard's Scaling Theory).

Теория масштабирования [1] объясняет связь тактовой частоты с миниатюризацией — показатели производительности растут, если удерживать постоянным значение напряженности электрического поля при уменьшении размеров транзистора. Это значит, что если сократить длину затвора в n раз и одновременно во столько же раз понизить рабочее напряжение без изменения значения напряженности, то задержки при срабатывании логического элемента также уменьшатся в n раз. Отсюда следует жесткая зависимость тактовой частоты от размеров элементов интегральных микросхем — чем меньше транзистор, тем выше максимальная частота. Именно масштабирование по Деннарду, а не по Муру, объясняет причину тридцатилетнего непрерывного роста, когда с каждым поколением при постоянном увеличении числа компонентов скорости росли, а цена постоянно падала. Развитие по экспоненте обеспечивала положительная обратная связь по Деннарду, но общественное сознание связывало его с законом Мура.

Понятно, что ни один процесс, развивающийся по экспоненте, не может продолжаться бесконечно. В данном случае на пути безоблачного развития по Деннарду (а не по Муру) возникло несколько существенных препятствий — энергопотребление и стоимость производства. Раньше других был достигнут предел роста тактовой частоты процессоров — уже в 2004 году корпорация Intel сообщила о закрытии проектов Tejas и Jayhawk, продолжающих архитектуру NetBurst (Pentium 4) по пути увеличения частоты (называлась фантастическая цифра 7 ГГц). С тех пор частота в редких случаях достигает 3–4 ГГц, а обычно и того меньше. Собственно тактовая частота есть следствие природной синхронности схемы фон Неймана, но проблема в том, что для ее обеспечения необходим сложный механизм управления, который может занимать от 10 до 50% общего числа транзисторов на микросхеме. Вряд ли стоит говорить об эффективности микропроцессора, когда половина его наполнения занята непродуктивной работой, играя лишь роль координатора [2].

Серьезные экономические ограничения были зафиксированы Юджином Мейераном: «Стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем». На протяжении всей истории человечества расходы на производство были значительными, но все же составляли лишь часть всех затрат на производство и распространение, а из-за экспоненциального роста стоимости оборудования затраты на новые производственные мощности измеряются сегодня миллиардами долларов. Естественно возникает вопрос: сможет ли одна компания или даже группа компаний обеспечить инвестирование в таких объемах?

Все эти закономерности не существуют отдельно, поэтому далее будем их обобщенно для простоты называть законом Мура, но в расширительной трактовке. Распространено два альтернативных мнения относительно ограничений на срок действия закона Мура: одни авторы упорно предвещают его скорую погибель, другие твердо уверены в его долгожительстве, причем громче всех выступают первые. В 1987 году в Scientific American в качестве предельного срока жизни закона Мура назывался конец 90-х годов, а спустя 12 лет в журнале Science исследователь из Intel Пауль Пакан высказал предположение, что критический момент откладывается и переносится на 2014 год. Сегодня пессимисты в лице Мичио Каку — в прошлом физика, ныне специализирующегося в характерном для США жанре научно-сенсационных публикаций, — назначают дату кончины на 2020 год. Однако складывается убеждение в недостаточном понимании сути проблемы этими апологетами — тридцать лет непрерывных ошибочных прогнозов дают основания для более оптимистических воззрений относительно будущего закона Мура. Скорее всего, истина где-то посередине, и понять происходящее можно только с нейтральной позиции, разобрав, как соотносится замеченная Муром закономерность с прогрессом в электронике.

В контексте закона Мура можно обнаружить и другие подобные закономерности— в частности, рост числа научных публикаций. Еесли взять за точку отсчета 1710 год (первые труды Исаака Ньютона), то здесь удвоение наблюдается каждые 15 лет. Еще интереснее наблюдение известного футуролога Рэя Курцвейла, описанное им в статье «Закон ускорения возвращается» (The Law of Accelerating Returns), где он прослеживает снижение стоимости расчетов (число операций на 1 тыс. долл.) за минувший век, с момента изобретения первых табуляторов. Курцвейл выделяет пять технологических периодов: электромеханические устройства, релейные механизмы, вакуумные трубки, транзисторы с навесным монтажом, интегральные схемы. Оказалось, что за 100 лет стоимость счета уменьшалась вдвое каждые два года. В таком случае закон Мура — это явное отражение более общей закономерности в приложении к пятой технологической парадигме.

К сожалению, сделанная Курцвейлом попытка дать объяснение обнаруженной им закономерности оказалась неудачной, и он не смог выйти за пределы технологий. Пожалуй, самое интересное обоснование связи закона Мура с другими природными закономерностями дано в статье «Жизнь до Земли» (Life Before Earth) Алексея Шарова и Ричарда Гордона. Основная тема этой публикации — регулярное удвоение сложности биологических систем и аналогия эволюционных процессов в живом и неживом мире [3].

Возникает естественный вопрос: насколько бесконечен рост информационной сложности систем? На самом общем уровне можно апеллировать к физике, в которой известен «Предел Бекенштейна», ограничивающий количество информации, которое может храниться в объеме сферы, энтропией черной дыры того же объема. Иначе говоря, существуют физические ограничения на плотность материи, способной хранить и обрабатывать информацию.

Из сказанного можно сделать простой вывод — говоря о конце действия закона Мура, следует понимать конечность срока действия пятой парадигмы Курцвейла, которая, как и любая техническая парадигма, конечна, и за ней последует шестая и т. п. Возможно, о будущем прозорливее других высказался директор DARPA по микросистемному направлению Роберт Колвелл: «Скорее всего, мы подошли к концу закона Мура как пределу производительности одного чипа, но о пределе роста производительности систем говорить еще рано. В то время как CPU и GPU действительно приближаются к своему пределу, есть множество иных способов сделать компьютеры более быстрыми. Вряд ли когда-нибудь рост по закону Мура прекратится — разработчики найдут альтернативные способы того, как сделать их быстрее и эффективнее».

Первой реакцией производителей на изменение парадигмы стало появление многоядерных процессоров от серийных образцов, имеющих от двух до 16 ядер, до экспериментальных, с числом ядер до 1024 и выше. Собрать на одной подложке большое число ядер мало, их еще нужно загрузить, но здесь возникает препятствие в виде закона Амдала, ограничивающего рост производительности при распараллеливании вычислений [4]: «В случае, когда задача разделяется на несколько частей, суммарное время ее выполнения на параллельной системе не может быть меньше времени выполнения самого длинного фрагмента».

***

Сложившаяся кризисная ситуация вокруг закона Мура обсуждалась в 2008 году в рамках международной конференции International Solid State Circuits Conference, на которой так и не удалось достичь согласия относительно развития событий в ближайшем десятилетии — количество мнений было равно числу участников. Единства мнений нет и по сей день, понятно, что развитие пойдет по новым направлениям. Новые чипы не будут одновременно и компактнее, и быстрее, и дешевле, тем не менее они будут лучше адаптированы к соответствующим задачам, поэтому с коммерческой точки зрения закон Мура сохранит свою справедливость.

Литература

  1. Леонид Черняк. Закон масштабирования Деннарда // Открытые системы.СУБД. — 2012. — № 2. — С. 61–62. URL: http://www.osp.ru/os/2012/02/13014110 (дата обращения 18.09.2014).
  2. Леонид Черняк. Вторая жизнь асинхронных процессоров // Открытые системы.СУБД. — 2002. — № 5. — С. 23–27. URL: http://www.osp.ru/os/2002/05/181445 (дата обращения 18.09.2014).
  3. Леонид Черняк. Закон Мура, сложность и обратная связь // Открытые системы.СУБД. — 2013. — № 5. — С. 50–51. URL: http://www.osp.ru/os/2013/05/13036000 (дата обращения 18.09.2014).
  4. Джин Амдал. Компьютерная архитектура и закон Амдала // Открытые системы.СУБД. — 2014. — № 2. — С. 46–50. URL: http://www.osp.ru/os/2014/02/13040049 (дата обращения 18.09.2014).

Леонид Черняк (osmag@osp.ru) — независимый автор (Москва).

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF