قانون مور، قسمت پنجم و آخر: پیش بینی آینده و تکمیل بحث

[Almas Parsi]

قانون مور، قسمت پنجم و آخر: پیش بینی آینده و تکمیل بحث


نارنجی

افراد آینده نگری چون ری کورزویل (نام کورزویل را به خاطر بسپارید. در مقالات آینده بسیار از او خواهیم گفت)، Bruce Sterling و Vernor Vinge معتقدند که رشد تصاعدی ای که در قانون مور توضیح داده شده منجر به سینگولاریتی در تکنولوژی می شود. سینگولاریتی زمانی در آینده است که سرعت رشد تکنولوژی لحظه ای خواهد شد (بعدا این مورد را نیز به زودی و به تفضیل توضیح خواهیم داد).

اگرچه کورزویل قبول می کند که در ۲۰۱۹ پیشرفت در روش های فعلیِ فوتولیتوگرافی به پایان خود می رسد، اما این مسئله را پایان قانون مور نمی داند. حالا به قسمت پایانی رسیده ایم. پس ادامه مطلب را از دست ندهید.

قانون مور برای مدارات مجتمع اولین نقطه شروع نبود. بلکه پنجمین مرحله پیشرفت کارایی (performance) نسبت به قیمت را توضیح داد. قدرت ابزارهای کامپیوتری از مدتها قبل تر و به طور پیوسته در بازه های زمانی مشخص چند برابر می شد. از ابزارهای محاسبه مکانیکی که سرشماری سال ۱۸۹۰ آمریکا استفاده شد، تا ماشین های رابینسن که رمز ماشین های رمزگذاری لورنز آلمان ها در جنگ جهانی دوم را شکستند، تا کامپیوترهای لامپ خلا CBS که پیروزی آیزنهاور را پیش بینی کردند، تا ماشین های ترانزیستوری که در اولین پرتاب های فضایی استفاده شدند تا کامپیوترهای شخصی که بر پایه مدارات مجتمع کار می کنند.

کورزویل قانون مور را از بحث فقط روی مدارات مجتمع به ترانزیستورهای اولیه، لامپ های خلا، کامپیوترهای سیم پیچی و الکترومغناطیسی بست داد.

کورزویل می گوید، احتمالا نوع جدیدی از تکنولوژی (مانند نوری، کامپیوترهای کوانتومی، کامپیوترهای از جنس DNA و…) جایگزین تکنولوژی مدارات مجتمع فعلی خواهد شد و قانون مور بعد از سال ۲۰۲۰ نیز ادامه خواهد یافت.

عکس بالا: اگر روند پیشرفت فعلی تا سال ۲۰۲۰ ادامه یابد، تعداد ترانزیستورها به عدد ۳۲ میلیارد خواهد رسید.

محاسبات Seth Lloyd نشان می دهد که چگونه ظرفیت محاسبه بالقوه یک کیلوگرم ماده - نیمه رسانا - برابر است با «پی» (۳.۱۴) برابر «انرژی» تقسیم بر ثابت پلانک (۶.۶ ضربدر ۱۰ به توان منفی ۳۴). با توجه به اینکه انرژی یک عدد بسیار بزرگ است و ثابت پلانک (که در مخرج قرار دارد) یک عدد بسیار کوچک، حاصل این تقسیم یک عدد بی نهایت بزرگ می شود: حدود ۵ ضربدر ۱۰ به توان ۵۰ محاسبه در ثانیه.

او (کورزویل) اعتقاد دارد که رشد تصاعدی (exponential growth) قانون مور در تکنولوژی خارج از دنیای مدارات مجتمع نیز ادامه خواهد یافت و منجر به سینگولاریتی تکنولوژیک خواهد شد.قانون بازگشت فزاینده (Law of Accelerating Returns) که توسط ری کورزویل توضیح داده شد، از جهات زیادی زاویه دید عمومی به قانون مور را تغییر می دهد. عوام (به اشتباه) اعتقاد دارند که قانون مور از همان ابتدا برای تمام فرم های تکنولوژی آمد، در حالی که این قانون در ابتدا فقط به مدارات مجتمع نیمه رسانا توجه داشت. با این حال، بسیاری از آینده بین ها همچنان از عبارت «قانون مور» برای ایده های مطرح شده توسط کسانی مانند کورزویل استفاده می کنند.

کورزویل معتقد است که قانون مور ادامه خواهد یافت و هر مشکلی که بتواند به رشد کامپیوترهای دیجیتالی حمله بکند را شکست خواهد داد. وی قانون مور را قابل گسترش به سایر علوم نیز می داند و می گوید: به دلیل ساختار کدهای دیجیتالی ملکول DNA، پیشرفت در قانون مور باعث پیشرفت در علم ژنتیک نیز خواهد شد. خود مور، که هرگز قانونش را به این میزان وسیع توضیح نداده بود می گوید:

قانون مور امروزه به تمام پدیده هایی که به صورت تصاعدی تغییر می کنند اطلاق می شود. به نظرم، اگر «گور» را بتوان مخترع اینترنت نامید، من هم مخترع تصاعد هستم. (اینترنت آنقدر بزرگ است که نمی تواند فقط یک مخترع داشته باشد. اما چون «ال گور» نایب رئیس جمهور آمریکا، قانون دسترسی عمومی به «اینترنت اولیه (ARPANET)» را وضع کرد، اختراع اینترنت به نام او ثبت شد. در اینجا نیز قانون مور حاصل زحمات نظریه پردازان زیادی است و متعلق به یک نفر نیست، اما عموم آن را به نام مور می شناسند.)

در ادامه به «نتایج و محدودیت های» قانون مور می پردازیم.

سرعت فزاینده تغییرات تکنولوژیک

«تغییرات تکنولوژیک» به معنی تکنولوژی های بهتر و بیشتر است. یک مطالعه جدید که در مجله ساینس منتشر شده است نشان می دهد که بیشترین تغییرات تکنولوژیک در اطلاعات کامپیوتری در سال ۱۹۹۸ انجام شده است، زمانی که ظرفیت تکنولوژیک جهانی برای محاسبه اطلاعات در کامپیوترها ۸۸ درصد در یک سال رشد کرد. از آن زمان تغییرات تکنولوژیک واضحا کندتر شده است. امروزه، حدود ۶۰ درصد تغییر در هر سال ایجاد می شود. این رشد همچنان تصاعدی است اما نشان می دهد «سرعت تغییرات تکنولوژیک» ماهیتی متغیر دارد.

تعداد ترانزیستورها در مقابل کارایی محاسبه

رشد تصاعدی ترانزیستورهای پردازنده ها که توسط قانون مور پیش بینی شده است دقیقا به همان میزان به معنای بهبود کارایی (performance) پردازنده ها نخواهد بود. (به عبارت ساده تر با دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها، کارایی دو برابر نمی شود.)
برای توضیح، یک سیستم single-threaded (بر پایه تک هسته) را در نظر بگیرید. بر اساس قانون مور ابعاد (طول و عرض) ترانزیستور در هر نسل ۳۰ درصد کاهش می یابد (0.7x یا 0.7 برابر می شود. یعنی چیزی که قبلا ۱۰۰ نانومتر طول و ۱۰۰ نانومتر عرض داشته، در نسخه بعد ۷۰ نانومتر طول و ۷۰ نانومتر عرض دارد)، بنابراین فضای اشغال شده توسط آنها ۵۰ درصد کاهش می یابد (قبلا مساحت ۱۰۰ ضربدر ۱۰۰ بوده که می شود ۱۰۰۰۰ اما الان ۷۰ ضربدر ۷۰ است که می شود ۴۹۰۰ که تقریبا ۵۰ درصد کاهش در مساحت داریم). این باعث می شود که مدت زمان یک سیکل (یک دور کلاک پردازنده) 0.7x کاهش یابد که در نتیجه فرکانس ۴۰ درصد (1.4x) افزایش می یابد. در نهایت، از آنجایی که active power = C(V^2)f است، با ثابت نگه داشتن میدان الکتریکی، ۳۰ درصد ولتاژ، ۶۵ درصد انرژی و مصرف برق (در فرکانس ۱.۴ برابر) ۵۰ درصد کاهش می یابد. بنابراین، در هر نسل، با دو برابر شدن فشردگی ترانزیستور، مدار مجتمع ۴۰ درصد سریع تر و مصرف برق (با تعداد دو برابر ترانزیستور) یکسان باقی می ماند. (مترجم: اگر از نوشته های بالا سر در می آورید، لطفا ادای احترام مرا بپذیرید)

اما رشد تعداد ترانزیستورها از طریق پیشرفت در تکنیک های میکرومعماری (microarchitecture) نیز به بهبود کارایی منجر می شود. این افزایش که به قاعده پولاک مشهور است، می گوید افزایش در کارایی بعلت تکنیک های میکرومعماری برابر است با میزان افزایش در تعداد ترانزیستورها یا افزایش مساحت یک پردازنده، به توان ۲. (به عبارت ساده تر با یک افزایش در ترانزیستورها، کارایی چند برابر افزایش پیدا می کند.)

در پردازنده های چند هسته ای، افزایش فشردگی ترانزیستورها، سرعت را در اپلیکیشن هایی که نتوانند به صورت موازی از چند هسته استفاده کنند، افزایش نخواهد داد. به این ترتیب با ۴۵ درصد افزایش در تعداد ترانزیستورها، ۱۰ تا ۲۰ درصد افزایش در قدرت پردازش را شاهد هستیم. از این ها گذشته اگر کمی با دید باز تر نگاه کنیم، سرعت در سیستم ها معمولا به سرعت پردازنده محدود نمی شود، بلکه به پهنای باند داخلی یا سرعت ذخیره سازی محدود است. پس قضاوت راجع به کارایی کلی یک سیستم نیاز به محاسبه فاکتورهای زیادی دارد و سرعت پردازنده تنها فاکتور نیست.

اهمیت کندی سایر قسمت های کامپیوتر به جز پردازنده

زمانی که سرعت پردازنده و گنجایش مموری ها (memory) افزایش یابند، میزان کارایی سیستم به دیگر فاکتورهایش مانند سرعت انتقال اطلاعات در دیسک و مموری محدود می شود. در نتیجه، این قسمت ها bottleneck (تنگه) میزان کارایی سیستم خواهند بود.

برای توضیح bottleneck مثال می زنیم: زمانی که شما می خواهید فایلی را روی یک فلش مموری کپی کنید، اهمیتی ندارد که سرعت پردازنده، سرعت خواندن اطلاعات از روی هارد یا سرعت رم شما چقدر باشد. زیرا در اینجا bottleneck سرعت کپی شدن اطلاعات روی فلش مموری است و آن است که سرعت نهایی فرایند کپی کردن اطلاعات از کامپیوتر به فلش مموری را تعیین می کند.

در طراحی پردازنده، استفاده از کش های داخل چیپ و استفاده از حافظه های موقت که bottleneck مموری را کاهش می دهند، بهتر از خرج کردن برای افزایش ترانزیستور و پیچیدگی پردازنده ها است. در نرم افزارها، سیستم عامل ها و دیتابیس ها (database) نیز روش های نگهداری کش روی حافظه موقت، نیاز به خواندن اطلاعات از روی دیسک را کاهش داده است. نرم افزار هایی مانند ReadyBoost آمده اند تا از حافظه های جانبی مانند فلش مموری برای نگهداری فایل های کش ویندوز استفاده کنند. بعضی از دیتابیس ها می توانند اطلاعات را ایندکس و فشرده کنند تا حجم کمتری از دیسک اشغال شود و سرعت بازیابی اطلاعات از آن افزایش یابد و به جای آن از قدرت فراوان پردازنده برای انجام فشرده سازی اطلاعات و بازیابی آنها به حالت عادی استفاده می کنند. از طرف دیگر نیز با ورود SSD (مخفف solid-state disk) سرعت حافظه ها در حال افزایش است.

توضیحات بالا نگاهی مختصر به سایر محدودیت های پیش روی کارایی (performance) سیستم بود. بنا به این دلایل تمرکز کامل برای پیشرفت پردازنده ها راه به جایی نمی برد. بلکه باید به سایر فاکتورهای کارایی نیز توجه داشت و همه آنها را با هم بهبود بخشید.

پردازش موازی و قانون مور

برای برخورداری از تمامی محاسن قانون مور، اخیرا توجه خاصی به «پردازش موازی (Parallel computation)» شده است. برای سال ها، همه سعی داشتند تا سرعت کلاک (گیگا هرتز) را افزایش دهند، بنابراین کدهای single-threaded روی پردازنده های جدیدتر، بهتر و بهتر اجرا می شدند. امروزه، برای بهینه سازی مصرف پردازنده ها، چیپ های چند هسته ای را طراحی می کنند و به همین نسبت نرم افزارها نیز باید multi-threaded یا چند-پردازشی نوشته شوند تا بتوانند از تمام توان پردازنده استفاده کنند. بسیاری از پردازش های multi-threaded موجب بهبود کارایی می شوند اما روندی خطی و نسبت یکسانی بین افزایش سرعت و تعداد پردازنده وجود ندارد. این مورد خصوصا در سیستم های پردازش مرکزی که عده زیادی به صورت اشتراکی روی آنها کار می کنند و به علت مسئله lock (محدود کردن دسترسی هر قسمت به بخشی از قدرت پردازشی) اهمیت بیشتری می یابد. هر چه تعداد پردازنده ها افزایش می یابد این مسئله مهم تر می شود. اخیرا، آی بی ام به دنبال راهی موثرتر و بهتر برای پخش کردن قدرت پردازش در سیستم های اشتراکی، بوده است و قصد دارد با تقلید از سیستم پخش کردن کارها در مغز به الگوی بهتری برسد.

اضافه کردن هسته های بیشتر به چیپ ها، یک فایده جانبی نیز دارد به این صورت که «فضای بیشتری» برای جا دادن واحدهای پردازشی خاص به وجود می آید که امکان انجام کارهای گرافیکی، ویدیویی یا رمزنگاری را دارند. برای مثال، افزونه «پردازش موازی جاوااسکریپت» شرکت اینتل در محصولاتش نه فقط از چند هسته پشتیبانی می کند، بلکه دارای امکانات پردازشی دیگری نیز هست و کمک می کند تا پردازش جلوه های تصویری صفحات وب بهتر انجام شوند (و همه به جای برنامه نویسی برای خود سیستم عامل، برنامه های تحت وب با HTML-5 بنویسند).

ادامه قانون مور پس از دوران CMOS

توضیح: CMOS مخفف Complementary metal–oxide–semiconductor یا «نیمه رساناهای فلزی-اکسیدی مکمل» که یک تکنولوژی برای ساخت مدارات مجتمع کامپیوترها است.

روزی می رسد که فضای فیزیکی باقی مانده بین ترانزیستورها ته می کشد، در آن زمان دیگر به انتهای راه از نظر کاهش اندازه ترانزیستورها رسیده ایم. در این زمان است که بزرگراه دیگری برای کاهش بیشتر حجم پیش روی آدمی رخ می نماید. بعضی از این بزرگراه ها که در آینده دور شاید قابل دست یابی باشند، شامل: کار روی وضعیت اسپین الکترون ها، تونل های الکترونی و یا کانال هایی با استفاده از نانوسیم ها هستند. یک لیست وسیع از ابزارهای قابل اختراع وجود دارد که نشان می دهد، با انتخاب هر یک از آنها می توان قانون مور را برای چند دهه آینده ادامه داد. همین الان هم در آزمایشگاه های صنعتی و آموزشی کارهای زیادی روی حافظه ها و مفاهیم بر پایه «اسپین» الکترون ها انجام می شود. (spin به معنای فرفره یا چرخش به دور خود است. در فیزیک کلاسیک گفته می شد که الکترون ها (و هر ذره کوانتومی دیگر) به جهت خاصی به دور خود می چرخد. برای مثال اتم ها در مدار اول خود دو الکترون دارند که با اسپین مخالف به دور خود می چرخند. یعنی یکی از الکترون ها مانند کره زمین در جهت حرکت عقربه ساعت (ساعتگرد) به دور خود می چرخد و دیگری در خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت (پادساعتگرد). طبعا از این حالت دوگانه اسپین می توان صفر و یک را استخراج کرد.)

کهنه شدن

یکی از جنبه های منفی قانون مور (رشد تصاعدی تکنولوژی) سرعت گرفتن روند کهنه شدن وسایل است. زمانی که تکنولوژی به سرعت «بهبود» پیدا کند، به همین سرعت تولیدات قبلی «کهنه» خواهند شد. پس از تولید روز افزون سخت افزارهای جدید و جدیدتر، مواد کهنه نیز بیشتر و بیشتر خواهند شد. می دانیم که منابع در زمین محدود هستند و این روند سرعت گرفتن تولید زباله ها یک مانع بزرگ در برابر افزایش هر چه بیشتر سرعت تولید محصولات جدیدتر است.

با توجه به اینکه برای تولید کامپیوترهای مدرن، از مواد سمی استفاده می شود، اگر آنها پس از کهنه و غیرقابل استفاده شدن به خوبی مدیریت نشوند، آسیب های زیادی به محیط زیست وارد می شود.

در اینجا مقاله پنج قسمتی «قانون مور» به پایان می رسد. در مقالات آینده در نارنجی بیشتر از قانون مور، کورزویل و سینگولاریتی خواهیم گفت.