Исследование закономерностей развития процессоров Intel

Аннотация

Парфенов Д. А., Аноприенко А. Я. Исследование закономерностей развития процессоров Intel рассмотрены основные закономерности развития процессоров Intel. Выявлены общие закономерности и их параметры. Сделаны выводы о дальнейшем действии определенных закономерностей и появлении новых.

Ключевые слова: процессор, закономерность, производительность, характеристики, чипсет, микросхема, Закон Мура, нанометр.

Введение

Сфера компьютерных технологий является одной из самых быстроразвивающихся. За относительно небольшой период своего существования этой сферы в ней успели образоваться четкие тенденции и закономерности. Закономерности развития микропроцессоров удобнее всего отслеживать на продукции компании Intel. Фирма была основана в 1968 году Робертом Нойсом и Гордоном Муром и на сегодняшний день занимает лидирующие позиции в производстве микропроцессоров [1].

Закон Мура и другие закономерности развития

В апреле 1965 года, примерно за три с половиной года до создания корпорации Intel, Гордон Мур (Gordon E.Moore), занимавший в ту пору должность директора отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, в статье для журнала Electronics дал прогноз развития микроэлектроники, получивший вскоре название закона Мура [2].

Закон Мура 1965 года гласит, что удвоение транзисторов на кристалле будет происходить каждый год. В 1975 году Мур внес коррективы в свой закон, согласно которым удвоение должно происходить каждые 2 года [3]. В 1985 году закон Мура получил точную формулировку, которая действует уже на протяжение больше 50 лет. Инженеры Intel предсказали, что удвоение транзисторов на кристалле будет происходить каждые 18 месяцев. Согласно рисунку 1 вплоть до 2000 годов компания Intel четко придерживалась графика, но с усложнением архитектуры после 2000 года заметен небольшой спад. Однако после него нарастание количества транзисторов происходит по закону Мура от 1985 года.

Первый микропроцессор Intel 4004 (1971 год) имел всего 2300 транзисторов [4]. На 2015 год число транзисторов в процессорах Intel составляло уже 1,3 миллиарда. Таким образом, количество транзисторов за больше чем 40 лет увеличилось в 595 000 раз. Это один из самых быстрорастущих показателей в компьютерных технологиях, который сохраняется уже больше 50 лет.

С увеличение числа транзисторов наблюдается также тенденция падения стоимости. На рисунке 2 приведен график соотношения стоимости транзистора на один герц [5]. Падение стоимости происходит в среднем в 2 раза каждый 1,3 года, или на 3 порядка каждые 12 лет.

Одной из главных тенденций развития процессоров является уменьшение техпроцесса (рис. 3). Согласно графику, уменьшение проектных норм микропроцессоров фирмы Intel в среднем каждые 1,4 года в 2 раза [6]. Однако такая тенденция может существенно затормозиться, так как преодоление рубежа в 7 нанометров и менее связано с рядом проблем. Квантовые процессы и высокое усложнение технологий приводят к необходимости затрачивать больше ресурсов и денежных средств на исследования и доведение технологии до совершенства.

Одной из закономерности, которая уже практически полностью прекратила свое действие является тенденция увеличения тактовой частоты процессора. Типичные модели имеют частоту до 5 ГГц, например, модель 2017 года IntelCorei7 7700K в режиме TurboBoost имеет тактовую частоту в 4,5 ГГц [7]. На рисунке 5 представлен график изменения частоты процессоров по 2010 год.

До 2000 года частота процессоров росла на порядок каждые 10 лет. Уже с 2005 года этот показатель дошел до насыщения и не поднимается выше 5 ГГц. Это связано с тем, что тепловыделение на высоких частотах является слишком высоким и разрушает чип.

Рекорд по максимальному показателю частоты оверклокерами был достигнут на процессоре компании AMD–энтузиасты разогнали до 8,429 ГГц [8]. Однако для охлаждения был использован жидкий азот. Таким образом, достижение тактовых частот выше 5 ГГц при водяном или воздушном охлаждении крайне проблематично.

Одним из ключевых показателей процессоров является производительность. Из работы [9] известно, что производительность компьютерных систем растет на порядок каждые 4 года. Однако измерения проводятся в FLOPS, но для конкретно процессоров более объективным является MIPS. График роста производительности процессоров приведен на рисунке 5.

Несмотря на достижение потолка в тактовой частоте, тенденция увеличения производительности сохраняется за счет создания многоядерных процессоров. Увеличение на порядок по показателю MIPS происходит каждые 7 лет.

Одной из действующих закономерностей является увеличение количества числа ядер. На примере десктопных систем можно проследить тенденцию увеличения числа ядер. Первый двухъядерный процессор для настольных компьютеров (Pentium D) появился в 2005 году. На момент 2017 года компания Intel представила 18-ядерные процессоры серии Core i9 (i9-7980XE) [10]. За 12 лет число ядер увеличилось в 9 раз.

В статье [11] представлен график изменения кэш-памяти L2+L3. Уже в 2005 году этот показатель достиг 2 мегабайт. В 2006 году этот параметр вырос до 4 мегабайт. На момент 2017 года можно отметить тенденцию увеличения капкэш-памяти L2+L3 в 2 раза каждые 2 года. Это одна из тех закономерностей, которые будут действовать так долго, как и закономерность увеличения количества ядер. Остановить эту закономерность может только создание принципиально новой замены кэш-памяти.

В конце хотелось бы рассказать об интересном факте. Наравне с законом Мура действует так называемый мета-закон Мура, который показывает, что увеличение числа новостей про окончание Закона Мура происходит каждые 18 месяцев [12]. График представлен на рисунке 6.

Выводы

Исходя из рассмотренных материалов, можно сделать вывод, что практическая деятельность Intel не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Отдельные закономерности, такие как частота процессора уже прекращают свое действие. Однако рост производительности, количества ядер и объема кэш-памяти будут увеличиваться до, как минимум, окончания действия закона Мура.

Список использованной литературы

1. IntelCelebrates 40 Years of Innovation [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.intel.com/
2. Exponential Laws of Computing Growth [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cacm.acm.org/
3. Аноприенко А. Я. Система закономерностей развития средств и методов компьютинга // Материалы V всеукраинской научно-технической конференции Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг (ИУС и КМ 2014) – 22-23 апреля 2014 г., Донецк, ДонНТУ, 2014. В 2-х томах. Т. 1.
4. Intel's First Microprocessor [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.intel.com/
5. Singularity is Near [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.singularity.com/
6. Аноприенко А. Я. Система закономерностей развития средств и методов компьютинга // Материалы V всеукраинской научно-технической конференции Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг (ИУС и КМ 2014) – 22-23 апреля 2014 г., Донецк, ДонНТУ, 2014. В 2-х томах. Т. 1. с. 11-23 (презентация к докладу) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ea.donntu.ru/
7. Процессор Intel® Core™ i7-7700K [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.intel.ru/
8. AMD FX разогнан до 8,429 ГГц [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ixbt.com/
9. Аноприенко А. Я. Закономерности развития компьютерных технологий и обобщенный закон Мура // Вестник Донецкого национального технического университета, No2 (2), 2016.
10. Процессор Intel® Core™ i9-7980XE Extreme Edition [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.intel.ru/
11. Part 3: The Cache Debate, LGA-1156 and the 32nm Future [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.anandtech.com/
12. Мета-закон Мура [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.anandtech.com/