Фізичні межі обчислень залишаються далекими від можливостей сучасних чипів
MIT Technology Review пояснює, чому розвиток чипів сповільнюється та наскільки сучасні обчислення далекі від фізичних меж.
Сучасні комп’ютерні чипи та системи передавання даних наближаються до уповільнення звичних темпів розвитку, однак до фундаментальних фізичних меж обчислень їм іще дуже далеко. Про це йдеться в огляді MIT Technology Review, присвяченому обмеженням швидкості, енергоспоживання, пам’яті та комунікацій.
Видання зазначає, що шість найбільших операторів датацентрів цього року планують витратити на обчислювальну інфраструктуру понад 700 млрд доларів — приблизно вдвічі більше за рекорд 2025 року. Нинішнє нарощування продуктивності дедалі більше залежить від додавання чипів, пам’яті, електроенергії та систем охолодження, а не лише від мініатюризації транзисторів.
Уповільнення звичних законів масштабування
Темпи, які десятиліттями забезпечували розвиток електроніки, сповільнюються. Закон Мура, що описує зростання щільності транзисторів на кремнієвих чипах, уже не демонструє колишньої динаміки. Приблизно у 2004 році припинилося зростання тактових частот, пов’язане з масштабуванням Деннарда: чипи більше не могли ефективно відводити тепло під час роботи всіх транзисторів на максимальній швидкості.
Тоді галузь перейшла до багатоядерних процесорів замість подальшого прискорення одного ядра. Водночас обчислювальні ресурси для навчання моделей штучного інтелекту з 2010 року подвоювалися приблизно кожні шість місяців, що значно швидше за темпи, які забезпечувало зменшення транзисторів.
Наскільки далеко до фізичної межі
За майже вісім десятиліть від появи першого транзистора їхня щільність на чипах зросла на 10 порядків, а швидкість обчислень — на 12 порядків. Витрати енергії на одну операцію знизилися на 17 порядків: приблизно зі 100 джоулів у ранніх вакуумних машинах до фемтоджоуля для одного перемикання логічного елемента.
Фізик Массачусетського технологічного інституту Сет Ллойд у 2000 році розрахував гіпотетичну межу для комп’ютера масою один кілограм і об’ємом один літр. За використання всієї енергії речовини така машина могла б виконувати близько 5 × 1050 операцій за секунду — на 35 порядків швидше за провідний сучасний чип. Водночас її робота вимагала б концентрації енергії, за якої пристрій перетворився б на плазму з температурою близько мільярда градусів.
Енергія, пам’ять і передавання даних
Межа Ландауера визначає мінімальну кількість тепла, яку потрібно вивільнити під час стирання одного біта: за кімнатної температури це приблизно 2,9 × 10-21 джоуля. Сучасні чипи витрачають на одне перемикання у кількасот тисяч разів більше енергії.
Для пам’яті обмеження задає межа Бекенштейна, що пов’язує обсяг інформації з розміром простору та його енергією. А квантова механіка обмежує і швидкість передавання даних: згідно з межею Холево, канал потужністю один ват може передати близько 1017 бітів за секунду. Нинішні оптичні з’єднання передають за тієї самої потужності приблизно в мільйон разів менше, хоча розрив у датацентрах скорочується.
