Murov zakon važi i dalje

Uprkos fizičkim ograničenjima, nastavlja se eksponencijalni rast broja tranzistora u mikroprocesorima, baš kako je jedan čovek predvideo još pre četrdeset četiri godine

Gordon Mur

Aprila 1965. godine, u časopisu „Electronics”, koosnivač kompanije Intel Gordon Mur (Gordon Moore) u članku je objavio pretpostavke koje su doživele status legendarnih. Do današnjeg dana „Murov zakon” je, kako je nazvan centralni deo članka, pretrpeo niz velikih promena i moguće je naći bezbroj interpretacija. Ipak, zakon poslednjih godina doživljava svoje najteže trenutke i svi se pitaju da li mu je došao kraj. Otkrijmo odgovor zajedno...

Na pitanje šta je to Murov zakon, većina će brže-bolje reći da je u pitanju premisa „broj tranzistora koji se može smestiti na kvadratni inč silicijuma duplira se svakih 12 (kasnije 18) meseci”. Iako ovo jeste tumačenje grafikona iz originalnog članka, Mur nije bio koncentrisan samo na prost broj tranzistora, odnosno na njihovu veličinu, već i na smanjenje troškova izrade samih tranzistora. Bilo da je u pitanju bila promena tehnologije ili povećanje obima proizvodnje, krajnji efekat koji je Mur predvideo bio je usmeren na pojavu jeftinih, sveprisutnih, moćnih tranzistora koji bi imali izuzetan uticaj na život. Ovo razmišljanje utemeljilo je pravac razvoja elektronske industrije u ostatku 20. veka i može se reći da su Murove naznake bile dobro predviđanje pojave ličnog računara, prenosnih muzičkih plejera i sličnih uređaja. Godine 2005. Intel je za 10.000 američkih dolara otkupio originalno izdanje časopisa „Electronics” i sa ponosom ističe važnost predviđanja koje je njegov koosnivač ustoličio.

Jeftini poluprovodnici – san elektronske industrije

Murovo predviđanje odnosa cene i broja komponenti

Iako nije zamišljen kao pokretač industrije, članak je imao neverovatan efekat na njen razvoj. Njegova direktnost brzo je postala prihvatljiva velikom broju proizvođača i svi su počeli da se utrkuju u tome ko će bolje ići uz liniju Murovih predikcija. Smanjenje cene osnovnih komponenti dovelo je do toga da je najbitnija stvar u poslu postići rast u skladu sa krivom iz članka, a to iznosi nešto više od jedan odsto nedeljno.

Koliko je ovaj zakon uticao na industriju govori činjenica da je odjednom postalo veoma važno kada je izbačen proizvod. Razvoj novog proizvoda u IT industriji danas traje oko tri godine i kašnjenje od samo nekoliko meseci značilo bi da je on sporiji bar za 10 procenata. Sada je jasno zašto je Core 2 arhitektura bila u velikoj prednosti nad čipom Barcelona rivalske kompanije koja je kasnila šest meseci.

Strip iz Murovog članka

Povećanjem broja tranzistora na čipu, njegova složenost raste istim tempom. Samim tim, sličnim koeficijentima očekivano je da raste i brzina kojom komponente rade, a kao posledica i količina toplote koju one izračuju. Neko bi pomislio da u slučaju mikroprocesora to znači da bi trebalo da raste i radna frekvencija procesora. U tom slučaju, danas bismo već radili sa procesorima na nekoliko desetina gigaherca. Kako to nije slučaj, svi se s pravom pitaju šta je prava mera razvoja procesora, jer su oni najočigledniji napredak ostvarili u proteklim decenijama. U njihovom slučaju, važnija od drugih mera je broj instrukcija izvršenih u jedinici vremena, koja zapravo u osnovnom smislu i predstavlja frekvenciju. Ipak, to nije njegova osnovna učestanost, već je ona umnožena nekim faktorom. Taj faktor predstavlja jedinstveni koeficijent paralelnosti kôda, bilo kroz hardversku, bilo softversku paralelizaciju, kao i drugih tehnika ubrzavanja izvršenja. Kao dodatak napretku postizanja Murove krive savremeni procesori imaju više jezgara, „glava” za obradu informacija koje povećavaju pomenuti faktor. Svaka dodata glava sve manje utiče na ukupan broj instrukcija u sekundi. Napomenimo i to da se u skorijoj budućnosti ne očekuje osnovna radna frekvencija viša od 5 GHz, jer današnje komponente ne mogu da izdrže količinu toplote koju tako visoka radna frekvencija generiše.

Murova sposobnost predviđanja budućnosti najbolje se vidi u posebno pripremljenoj strip-deonici na kojoj se vidi prodavac koji preporučuje kupovinu ličnih računara u prodavnici koja prodaje, recimo, i kozmetiku. Gotovo da odmah pomislite na naše hipermarkete i situaciju da na policama možete naći i voće i povrće i računarske konfiguracije i laptop/nettop računare. Primetno je i to da u ovom primeru ni na koji način ne dovodimo u vezu Murov zakon sa superračunarima, kao ni sa napretkom računara, već sa idejom da njihovim usložnjavanjem i smanjivanjem oni postaju nezamenljivi deo sadašnjosti, prisutan u životu svih ljudi, po ceni koju većina može sebi da priušti. Nisu li računari današnjice upravo ovakvi?

Realnost

Broj članaka na temu Murovog zakona po godinama (izvor: Google)

Uticaj koji su Murove pretpostavke imale očuvan je prenošenjem s kolena na koleno, iz generacije u generaciju inženjera. Proročanstvo koje je bilo konstruisano 1965. godine kao magija je nosilo industriju u nove izazove i teralo je da dâ sve od sebe u pokušaju da se famozna eksponencijalna kriva ispoštuje. Na grafikonu dole može se videti pregled procesora kompanije Intel u poslednjih deset godina. Tu je moguće u potpunosti videti i dinamiku rada zaposlenih kod najvećeg proizvođača čipova današnjice, ali i napredak koji je ostvaren kroz višedecenijsku borbu za instrukciju u sekundi više.

Ipak, postavlja se pitanje koja su ograničenja Murovog zakona? Limit koji se prvi nameće fizičke je prirode i govori o tome da će u jednom trenutku tranzistori prosto postati maksimalno male veličine, koja će dostići veličinu atoma. Fizički, dalje od toga se verovatno neće moći, bar ne gledano iz ove perspektive. Sam Gordon Mur je 2005. godine izjavio da smo u narednih 10 do 20 godina relativno sigurni u to da nećemo dostići atomski nivo i da ćemo uživati u napretku manjih i bržih tranzistora. Nakon momenta kada udarimo u fizičku barijeru, biće potrebne nove ideje, koje će potpuno redefinisati način na koji koristimo tranzistore u električnim komponentama. Mnogi se pitaju da li je pravo pitanje ono koje se odnosi na kraj Murovog zakona ili je činjenica da je taj zakon, koji je bio sveto slovo svih ovih godina, zapravo sav dokaz koji nam je potreban da bismo počeli iz početka, s novim tehnologijama i novim pristupom.

Budućnost

Broj tranzistora u procesorima poslednje decenije

Saznanje koliki je uticaj jedna ovakva filozofija pravljenja računarskih i drugih sličnih komponenti imala na čitavu industriju tera nas da razmišljamo o mogućim zaobilaznim putevima do istog cilja, koji je postavljen pre mnogo godina. Moramo biti svesni toga da računari kakve poznajemo moraju da promene svoju formu kako bismo zakoračili u novu eru. Ne očekujte snažne računare u budućnosti, bar ne u smislu toga da se kompanije utrkuju koja će da napravi bržu mašinu, dok zapravo njihova iskorišćenost ne napreduje ni blizu istim tempom. Računari sutrašnjice biće poput terminala, a značajnu ulogu imaće tehnologije o kojima smo već pisali, kao što su virtualizacija i cloud computing.

Važnu ulogu u razumevanju i implementaciji pravila Murovog zakona imaju i naučnici poput Reja Kurcvejla (Raymond Kurzveil) koji se često nazivaju i futuristima. Kurcvejl najavljuje da će oblast važnosti Murovog zakona biti moguća i nakon 2019. godine, kada on procenjuje da će se dostići fizičke granice proizvodnje tranzistora, i to upotrebom optičkih i kvantnih računara. Često su nalazi ovog naučnika dovodili do pogrešnog tumačenja Murovog zakona, jer se u njegovim tekstovima često nalazila tvrdnja da se pravila Murove krive mogu primeniti na sve oblasti tehnologije, a ne samo na poluprovodnike, kako je Mur originalno zamislio.

Intel Core i7 čip

IBM, kompanija koja zapošljava najveći broj radnika u IT industriji, odgovorna je i za najveći broj radova i prototipova iz oblasti tehnologija koje imaju za cilj da produže trajnost eksponencijalnog zakona. Prvo rešenje koje nude zaposleni u Velikom plavom (čest nadimak za IBM) jesu takozvani 3D čipovi, tehnologija koja omogućava potpuno drugačije pakovanje nego kod tehnologije koju posedujemo danas. Umesto da komponente stoje jedna pored druge na štampanoj ploči, IBM ima ideju da ih ređa jedne na druge i tako pravi složaje (stekove) od po nekoliko komponenti. Prednost ove tehnologije je pre svega u brzini prenosa informacija. Kako se ne koriste dugi, horizontalni provodnici već vertikalni, koji su provučeni kroz sve naslagane komponente, brzine koje se ostvaruju su i do 1000 puta veće, uz mogućnost dodavanja većeg broja komponenti (i do 100 puta) zahvaljujući uštedi u prostoru. Za više informacija o ovom istraživanju i proizvodnji posetite sajt www.ibm.com/chips.

Još jedna tehnologija koja dolazi iz iste kompanije najavljuje produženje važnosti Murovog zakona. IBM planira da koristi DNK kako bi uspeo da odvede proizvodni proces ispod 22 nm, sve do 6 nm, uz relativno prihvatljive troškove izrade. Plan je da se molekuli DNK koriste kao minijaturne štampane ploče koje imaju zadatak da se na njih nakače nanoprovodnici i nanočestice. Ovo, kako je nazvano, samosklapanje, tačnije sklapanje poput DNK molekula, moglo bi da dovede do znatnih ušteda u novcu potrebnom za proizvodnju tehnologija ove veličine i složenosti.

Memristorski element

Svoj doprinos dao je i HP stavljanjem u pogon odeljenja za nanoistraživanja. Najnoviji predlog ove kompanije jeste redizajn postojećih tranzistora koji bi doneo mogućnost ugradnje većeg broja tranzistora na istu površinu. Centralni deo tehnologije predstavlja takozvana switch (prekidačka) arhitektura, odnosno programabilni nanospoj, varijacija postojeće FPGA tehnologije, koja bi mogla da se implementira u postojeće fabrike tri najveća proizvođača čipova (Intel, IBM, AMD). Čelni ljudi HP-a ističu da je ovo nesumnjivo korak u pravom smeru očuvanja ne onoga što je sam Murov zakon po sebi već zamajca tehnološkog napretka, koji je kao glavni cilj zacrtao eksponencijalni rast. U prilog tome ide i činjenica da su aprila prošle godine u HP-u izjavili kako su uspeli da proizvedu prekidački memristor (switching memristor), komponentu izuzetnih sposobnosti najavljivanu godinama. Tanak film titanijum-dioksida, od čega je memristor izrađen, nudi zavidne performanse sa gotovo linearnim odnosom naelektrisanja i otpornosti, a upotrebu nalazi u nanoelektronici, pre svega u memorijskim čipovima i elementima računarske logike, ali i u bioračunarstvu i biomedicini.

• • •

Značaj Murovog zakona u proteklih 45 godina je neprikosnoven i predstavlja najdugovečniju predikciju u industriji informacionih tehnologija. Decenije razvoja računarskih komponenti i računarskih sistema bile su vođene jurnjavom da se postigne rast što bliži eksponencijalnom. Približava se dan kada će konvencionalne komponente jednostavno prestati da ispunjavaju stroge kriterijume rasta koje ovaj zakon uspostavlja. Na nama je odgovornost da tada (po svemu sudeći za desetak godina) već imamo spremnu novu tehnologiju (ili više njih), masovno prihvaćenu i raširenu, koja će se uspešno smeštati u granice eksponencijalne krive i tako udahnuti nov život vremešnoj teoriji čije važenje ne mora nikada da prestane. Na taj način biće zagarantovana tehnološki napredna budućnost.

Momir ĐEKIĆ