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  • 摩尔定律与反摩尔定律

    千次阅读 2017-11-17 10:15:03
    摩尔定律也就揭示了信息技术的进步速度。 苹果公司的手机开发也基本上满足摩尔定律的趋势。基本上苹果公司的iPhone系列就是2年推出一个版本。也就是符合摩尔定律。 但是,虽然摩尔定律的趋势已经持续了大半个...

    摩尔定律是由因特尔的创始人之一的戈登·摩尔提出来的。主要内容是当价格不变时,集成电路上可容纳的元件的数目,每过2年就会增加一倍,那么,性能也随之提升一倍。摩尔定律也就揭示了信息技术的进步速度。
    苹果公司的手机开发也基本上满足摩尔定律的趋势。基本上苹果公司的iPhone系列就是2年推出一个版本。也就是符合摩尔定律。
    但是,虽然摩尔定律的趋势已经持续了大半个世纪,但是还是被认为是猜测,而不是一个物理或者自然规律。从2010年的国际半导体技术路线图的更新预测,2013年后的增长速度将会放缓,也就是摩尔定律可能不再适用。不管怎样,摩尔定律在之前起了很重要的作用。
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    与摩尔定律相对应的反摩尔定律,其实是讲的同一个现象,只不过是反过来说。其表述是这样的:一个IT公司今天要想和十八年前卖掉同样多的,同样的产品,那么它的营业额就会下降一半。 这里写图片描述
    看起来,这样的定律对所有的IT公司的一种悲哀,但是,这样的定律对推动IT行业的进步有很重要的作用。它强迫着IT公司都要赶上摩尔定律所说的硬件更新速度。因此,硬件和设备公司都是十分辛苦的。
    当然,这样的定律的积极的一面是十分重要的,它不断促进IT行业的发展,促成科技领域的质的飞跃,另外,还给新兴的公司提供了与老牌公司竞争的可能。就是这样的定律,说明了IT行业不可能追求量变,要不断的追求质变。
    所以,无论是摩尔定律还是反摩尔定律,都是促进IT行业不断发展的动力,虽然这两个定律不一定会永久适用,但是,目前应该还是适用的,所以,所有的公司都会为了这样的定律,不断研发属于自己的产品,从而不断推动信息技术的发展。
    虽然我不知道摩尔定律还能适用多久,但是,我希望这样的定律能一直适用下去,这样的话,IT行业就会不断高速发展,给人们带来更好的体验。

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  • 摩尔定律、安迪-比尔定律、反摩尔定律 摩尔定律: 当价钱不变时,集成电路上可容纳的原件数量约18-24个月之内就会增加一倍,性能也将提升一倍。既没一美元能买到的电脑性能,每隔18-24个月就会翻一倍以上。 安迪-...

    摩尔定律、安迪-比尔定律、反摩尔定律

    1. 摩尔定律:
      当价钱不变时,集成电路上可容纳的原件数量约18-24个月之内就会增加一倍,性能也将提升一倍。既每一美元能买到的电脑性能,每隔18-24个月就会翻一倍以上。
    2. 安迪-比尔定律:
      由微软为首的软件开发商会吃掉硬件提升带来的好处,这会迫使用户更新机器以获得更好的体验,从而给惠普、戴尔等带来利润;而这些整机生产商会再向英特尔这样的半导体厂订货购买新的芯片并向外设厂商购买外设,在这个过程中各个厂商都获得了利润,股票也会随之增长。硬件半导体和外设公司会将利润投入研发为下一步微软更新软件、吃掉硬件做准备。
    3. 反摩尔定律:
      谷歌前CEO提出反过来看摩尔定律,一个IT公司今天和18个月之前卖出同样多的同一种产品,今天的营业额会是18个月之前的一半,这是非常可怕的,一个IT公司花了同样的劳动力,却只得到了之前一半的利润。
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    摩尔定律指的是,每18个月,集成电路上的晶体管数目增加一倍,性能增加一倍,单个晶体管成本降低一半。题主想问的是,如果哪一天,集成电路的摩尔定律增长停止了,我们应该怪谁?

    集成电路的发展是客观原因,将来停止也是客观原因,怪不到谁。这几年摩尔定律,至少在集成电路制造上是已经放缓了。14纳米和10纳米的工艺技术发展,都比摩尔定律要慢,特别是10纳米,工艺成熟有点遥遥无期之感。

    至于为什么会停滞,一般来说都是撞上了墙。此前有很多技术,也出现过类似的发展曲线,我们可以参考讲解。以飞机为例:

    大家看第一张图。飞机所能达到的最高速度,自飞机发明以来,一直在平缓增长,1957年之后,有十年爆发式增长。如果这种发展速度持续下去,如今我们从中国飞到美国,可能只要一分钟时间。但事实上,从1965年开始,飞机的最高速度增速大大放缓。自1976年以后,飞机的最高速度再也没有增长过。直至如今。我们看这个曲线,就好像这时撞上了一堵墙一样。

    当然,以上说的是所有飞机。商用飞机的最高速度比这个低得多,但发展路线是相似的。

    那些墙是什么东西呢?一个是技术墙。比如说飞机要再提速,原有的机身材料可能就不能承受更高的压力和温度。那么就需要寻找新的材料,要与原有材料有同样的重量,但强度和耐热性更好。假如物理上并不存在这种材料,这个时候就撞墙了。

    芯片也是一样的,它有很多物理上的极限,比如光速。如果你要单线程达到4G赫兹,那么你的时钟周期是0.25纳秒。基本上是现代CPU最高的水平。光在0.25纳秒里边能够跑多远?大概只能跑7.5厘米。电磁场速度和光是相同的(当然,那是在真空里,在金属线里速度还要受更多限制)。这就意味着,在这个时钟周期里面,你完成一个功能,需要协作的元件之间的距离是有上限的,而且很短,除非你能突破光速。但这在目前的宇宙里,你是几乎不可能做到的。

    类似的情况很多,比如芯片的光刻工艺,它是受光的波长限制的。如果你的尺寸低到某个程度,光就会发生衍射,从而不能精确的定位。

    比如芯片的功耗,它限制了芯片的面积。因为在功耗固定的情况下,芯片的面积越小,单位面积的功耗就越大,意味着温度越高。而材料降温的速率和能力是有限的。金属线会融化。

    比如电迁移和隧穿效应,它受量子尺度影响。假如两条金属线之间的距离足够小。它们之间会有耦合电容,会有漏电电流,会有金属形变等等,这些都是受制于物理规律,你是无法改变的。

    另一堵墙就是商业墙。你的技术进步是建立在技术进步被市场接受的情况下。比如我把飞机速度提高了一倍,觉得客户可能方便了。但是也许我需要的燃油量提高了。我需要的造价提高了。我能运载的客户更少了。我因为超过音速产生音爆,更不安全了。飞机剧烈抖动,噪音很大,乘坐更不舒适了。这些因素全部考虑下来,速度增加就没有了商业上的意义。也就没有人去开发了。

    回到芯片上也是一样。比如假设把铝线改成银线,性能可以提高5%。会去改吗?不可能的事。因为银比较稀少而且贵。更高的集成度,即便技术上可能,如果商业上不能让用户接受的话,那是没有意义的。资本会逃离,人才也会逃离,没有任何人去研究,同样会撞上墙。

    只要没有撞上商业墙,技术墙还是有很多绕过去的办法。我们来参考一下超导体的研发。大家看一下图2。超导体也是一件很有意思的事儿。随着技术的发展,科学家在越来越高的温度寻找或者制造出了超导体。但是最终在1995年的时候,撞上了技术墙。超导体的温度,从零下270多度提高到零下80多度的时候,提高不上去了。也就是说离大规模商用所需,永远就差这么一点点。让科学家们怎么办?重起炉灶,我们采用多条技术路线的方式,分别往上走(在图中以不同的颜色显示)。说不定哪条就奏效了呢。

    芯片也是一回事,因为目标是把某些任务做得更快。实现这一点,并不要死抠着单个芯片上的集成度。从结构上,可以做多核,做并行,做GPU。从实现上,可以做多硅衬底,用光纤。从软件上,可以做调度优化。所以即便工艺上撞上了技术墙,有效的计算速度依然还在增加。

    当然,如果穷尽了所有的这些手段,依然不能提高的话。那么集成电路这个朝阳时代就结束了。它会变成一个夕阳产业和拼成本的游戏,资本和人才会跑到其他发展更快的科技行业里。我觉得我们还是能看到这一天的。

    这些让我想到刘慈欣的一个质问,说现在人类IT行业发展的很快,其他行业速度太慢。我们搞了太多对生活看不出太大影响的进步。实际上这是受资本技术、市场共同影响的。当硬件行业正好处于摩尔定律上升趋势时,资本和人才会流入这里。当它结束增长后,其他行业自然会得到所需资源,加快增长速度。这并不以人的意志为转移。

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    原标题:摩尔定律还能走多远? CPU 的内存瓶颈

    在2002年之前,随着芯片密度的增加, CPU的时钟频率也一直不断增加。 对于普通消费者而言,CPU 的频率就代表计算机的快慢。 1981年最早出厂的 IBM PC, CPU 的频率是 4.77 兆赫, 相当于一秒钟四百七十七万个时钟周期。 假设 CPU 一个时钟周期可以运行一条指令, 频率越高, 就算得越快。

    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201608/294834.htm1995年的奔腾芯片,时钟频率达到了 100 兆赫, 是 1980年的二十倍还多。

    而到了 2002年, 英特尔新型奔腾芯片时钟频率第一次突破 3000 兆赫 (3 GHz)。

    限制时钟频率的第一个主要物理约束条件是: 信号在晶体管之间传输的迟滞。 这也是为什么晶体管密度越大,时钟频率可以越高。

    2002年之后, CPU 时钟频率增加遇到了第二个技术瓶颈: 能量消耗。

    简单说, CPU的能量消耗和时钟频率的三次方近似成正比, 在 3 Ghz 之后, 频率的继续提高会使芯片过热而面临被烧毁的风险。

    实际上, 2002 年之后, 英特尔CPU 的时钟频率大多一直在 2 GHz - 4 GHz 之间, 十四年来没有本质提高。

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    但时钟频率不再增长, 并不意味着 CPU 性能的停滞不前。 就像人类的大脑, 过去二十万年没有本质变化, 但并不意味着人类文明不会发生开天辟地的进步。

    这时候,最有用的思路,是寻找新的维度,去进攻解决问题。

    (2)

    如果说, CPU的时钟速度好比人脑的计算速度, 那么 CPU 的内存读取速度就好比人获取信息的速度。 这是提升 CPU 性能的第一个不同的维度。

    有过基本工作或者研究经验的人,都会有这样的体会:

    大多数时候,限制工作效率的瓶颈是: 查资料,找东西。

    找不到就只能干着急。

    二十年前的科研者,查资料要去图书馆,小图书馆没有资料就要去更大的图书馆,没有计算机检索之前需要一张张翻卡片查。 查找资料的时间,动辄就是几个小时甚至更多,超过了真正研究分析的时间。 这和今天,十秒钟内就可以在互联网上,精准搜索和下载世界上大部分论文资料,完全不可同日而语。

    电脑的内存架构,实际上要细分为 Register (寄存器), Cache (高速缓存), Memory(内存), Disk (硬盘)。 而缓存又可以细分为一级缓存 (Level 1 Cache), 二级缓存, 三级缓存, 甚至四级缓存。

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    打个比方, 寄存器上的数据,好比你手中那张纸上写的信息, 信息量很少,但立等可取。

    一级缓存, 好比桌面上的书, 信息量多一些, 伸一下手可以拿到;

    二级缓存, 好比抽屉里的书,打开抽屉后仍然很快可以拿到;

    内存, 好比书架上的书, 要站起来去查找;

    硬盘, 就是图书馆的资料,需要花几个小时到外面跑一趟才可以查到了。

    研究者,如果无法迅速获取需要的资料,天天要往图书馆跑,即使牛顿/爱因斯坦再世, 聪明的脑瓜也只能像高速的 CPU 一样, 无效地空转, 痛苦地在来去图书馆的道路上等待。

    以 Intel 的 i7-4770 CPU 为例, 其时钟频率 3.4 GHz. 一级和二级缓存,读取数据的延迟一般在 5 - 12个时钟周期,相当于约 2-4 纳秒。如果要到内存读取数据, 迟滞则约 70 纳秒, 等价于200多个时钟周期。 如果内存找不到, 不幸地要去硬盘搜索,延迟超过 4 毫秒 (等价于四百万纳秒),再快的 CPU 时钟频率, 此时也然并卵矣。

    (3)

    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201608/294834.htm摩尔定律的发展,对于 CPU 的时钟速度,和普通内存 (DRAM) 的读取延迟上,进步速度是不一样的。其差距每年以 50%的速度增长。

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    为了缓解这个矛盾,高速缓存 (Cache) 最早是以外置的形式出现在1985年的英特尔的 386的处理器上。

    真正的芯片上的内置的缓存,最早是在1989年的 486处理器上出现,当时容量只有 8 KB, 到九十年代容量提高到 16 KB.

    缓存容量过大,会影响搜寻速度,所以又出现了二级, 三级缓存。 这里有很多微妙的设计细节,此处不表。

    缓存, 本质上就是以 SRAM (静态随机存储器)为基础的内存。 而SRAM, 本质上就是六个晶体管结构组成的逻辑单元, 如下图。

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    随着晶体管的小型化,芯片设计者就不断在 CPU 芯片上增加更多的内置的高速缓存。

    以 2015年九月英特尔出品的 14 纳米 i7-6560U 处理器为例, 它有两个内核 (core), 每个内核有 64 KB 的一级缓存, 256 KB 的二级缓存, 并共享一个 4 MB的三级缓存。

    用于缓存的晶体管占整个CPU 芯片上的晶体管的比例,也从 486时代的 40%左右,到今天许多CPU上接近 90%. (数据出处来自威斯康辛大学 Doug Burger 的论文, “Syetem-level Implication of Processor Memory Integration” )

    换句话说,计算的管理,将近90%的内涵, 实际上是对内存记忆的管理。

    不管在什么行业,如果做到了高效地搜寻和存储海量的数据, 你可能就已经成功了90%.返回搜狐,查看更多

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