ممکن است قانون مور کند شده‌ باشد، اما بازده انرژی آن نه!

این مطلب یکی از مقالات پرونده ویژه «پنجاه سالگی قانون مور» است. برای دانلود رایگان کل این پرونده ویژه اینجا را کلیک کنید. 

هيچ شخصی نمی‌تواند بگويد دوران قانون مور دقيقاً چه زمانی به‌سر خواهد رسيد. با اين ‌همه، متخصصان صنعت نيمه‌رسانا نيز همچون ما نمی‌توانند از انديشيدن درباره آن روز کذایی دست بکشند؛ زيرا آن روز پايان يکی از ادوار استثنایی تاريخ خواهد بود. پايان اعتبار قانون‌واره‌ای که برای يکی از مهم‌ترين صنايع جهان پيش‌بينی‌ها و ديدگاه‌های غيرمحرزی را ارائه ‌داد. آن‌چه می‌دانيم اين است که در پانزده سال گذشته با معرفی هر نسل جديد از تراشه‌های مدرن، در روند افزايش بازده آن‌ها افول چشم‌گيری پديد آمده ‌است. آيا پايان قانون مور نزديک است؟ نه دقيقاً، زيرا با اين‌که قوانين فيزيک پايه در برابر آن قد علم کرده‌اند، اما به‌نظر می‌رسد (دست‌کم) در حيطه بازده انرژی می‌توان پايان قانون مور را به‌تعويق انداخت. برای سنجش بازده يک کامپيوتر شيوه‌های گوناگونی وجود دارد، اما يکی از سهل‌المحاسبه‌ترين شيوه‌های سنجش آن، محاسبه بازده بيشينه خروجی است؛ يعنی، سنجش ميزان بازده يک پردازنده وقتی با حداکثر سرعت خود کار می‌کند. معمولاً بازده بيشينه خروجی را به‌صورت «تعداد محاسبه‌هایی که به‌ازای مصرف هر کيلووات ساعت برق اجرا می‌شود» توضيح می‌دهند. يکی از مقاله‌هایی1 که در سال 2011 در نشريه تاريخ محاسبات انجمن مهندسان برق و الکترونيک ايالات متحده منتشر شد، اظهار می‌دارد بازده بيشينه خروجی نيز مانند فرکانس کلاک پردازنده‌ها بيش از پنج دهه هر سال تقريباً دو و نيم برابر افزايش می‌يافت. 

اين روند پيش از سر برآوردن نخستين ريزپردازنده آغاز شد؛ يعنی، در ميانه‌های دهه 1940 و تقريباً در سال 2000 به‌پايان رسيد. محدوديت‌های فيزيکی در کاهش اندازه ترانزيستورها باعث شد تا هم روند رشد بازده بيشينه خروجی و هم بازده خود پردازنده کند شود. از اين‌ رو، تراشه‌سازان به ايجاد تغيير در معماری تراشه‌ها روی آوردند و در همين راستا چند هسته محاسباتی را در يک ريزپردازنده جای دادند، اما با اين ‌همه نتوانستند نرخ رشد تاريخی پردازنده‌ها را ادامه دهند. در حال حاضر، دو برابر شدن بازده بيشينه خروجی تراشه‌ها تقريباً 2.7  سال زمان می‌برد. چنين افولی را نمی‌توان ناديده انگاشت. از نظر تاريخی، يک دهه نرخ رشد دو برابری باعث شد تا بازده اين تراشه‌ها صد برابر افزايش يابد؛ اما با نرخ رشد کنونی، 18 سال زمان می‌برد تا يک ‌بار ديگر بازده پردازنده‌ها به صد برابر ميزان کنونی افزايش يابد. 
خوشبختانه، همه خبرها بد نيستند. نيازهای محاسباتی ما تغيير کرده‌اند. سال‌ها پس از آن‌که مور مقاله معروف خود را در سال 1965 ارائه داد، کامپيوترها هنوز گران و تقريباً کم‌شمار بودند و مرتباً به بيشينه (و محدوديت) محاسباتی خود می‌رسيدند. اکنون که کامپيوترها ارزان و همه‌گير شده‌اند، تمرکز طراحان به حيطه‌های ديگر سوق يافته است. تمرکز بر افزايش سرعت پردازنده‌های مرکزی در کامپيوترهای ثابت، اينک جای خود را به تمرکز بر کاهش چشم‌گير کارکرد برق در دستگاه‌هایی مانند لپ‌تاپ‌ها، گوشی‌های موبايل و تبلت‌ها داده ‌است. 
امروزه، بيش‌تر کامپيوترها تنها در کسری از ثانيه (و در موارد معدود) با بيشينه خروجی خود کار می‌کنند (به‌استثنای ابرکامپيوترها و تراشه‌های بيت‌کوين‌کاو که محاسبه‌های سنگين انجام می‌دهند). در مجموع، طبق شيوه‌های رايج سنجش‌ در اين صنعت، دستگاه‌هایی مانند اسمارت‌فون‌ها و لپ‌تاپ‌ها در کم‌تر از يک درصد مواقع و کلان‌سرورهای داده نيز هر سال در کم‌تر از ده درصد مواقع با بيشينه قدرت محاسباتی خود کار می‌کنند. حتی کامپيوترهای مورد استفاده در سرويس‌های ابری اينترنت نيز کم‌تر از نيمی از مواقع همه ظرفيت خود را به‌کار می‌گيرند. 
در دوران جديد، طراحی مطلوب برای مديريت برق طرحی است که ميزان انرژی مورد نياز يک دستگاه در مواقع بيکاری يا خاموشی آن ‌را به کم‌ترين ميزان ممکن کاهش دهد. نشانه بهتر برای بازده انرژی ميزان برقی است که يک کامپيوتر به‌صورت ميانگين به‌کار می‌برد، نه وقتی با حداکثر توان خود کار می‌کند. 

 داده‌ها از شرکت ای‌ام‌دی، کومی و همکاران (2011)

اخيراً برای سنجش بازده تعريفی ارائه داده‌ايم که در حال حاضر با نحوه به‌کارگيری تراشه‌ها هماهنگی بيش‌تری دارد. اين تعريف بازده استفاده معمول خوانده می‌شود. مانند بازده بيشينه خروجی، اين نيز برای منظور (همچون بازده بيشينه خروجی) تعداد محاسبه‌های انجام‌ شده به‌ازای هر کيلووات ساعت برآورد می‌شود. اين‌ بار تعداد محاسبه‌های انجام شده طی يک سال بر مقدار کل برقی که به‌کار رفته ‌است، تقسيم می‌شود؛ يعنی، کل برق مورد استفاده يک تراشه و مدارهای آن در مدهای گوناگون در آن مدت. برای مثال، ممکن است يک لپ‌تاپ موقع اجرای بازی بيش‌ترين برق ممکن را به‌کار ببرد، اما چنين چيزی فقط گاهی اتفاق می‌افتد. کارهای رايج ديگر مانند واژه‌پردازی يا پخش ويدیو شايد به‌ اندازه يک‌دهم مورد پيشين برق به‌کار ببرد؛ زيرا تنها به بخش کمی از توان محاسباتی تراشه نياز دارد و مديريت هوشمند برق می‌تواند تا اندازه‌ای از ميزان برقی بکاهد که ميان کليدضربه‌ها و فريم‌های ويدیویی دادوستد می‌شود. 
آزمايش‌هایی که از سال 2008 به‌ اين سو در واحد تراشه‌سازی شرکت AMD انجام شده ‌است، نشان می‌دهند بازده برق تراشه در کاربردهای معمول رو به افزايش است. طبق محاسبه‌ها و برآوردهای ما از يکی از اين آزمايش‌های پيش‌گامانه AMD تا سال 2020، بازده تراشه در پردازش‌های معمول تقريباً هر یک سال و نیم دو برابر و از اين حيث دوران خوش قانون مور تکرار خواهد شد. 
اين دستاوردها نتيجه بهبود چشم‌گير در طراحی مدارها، يک‌پارچه شدن بخش‌های گوناگون و نرم‌افزار و همچنين تمهيدات مرتبط با مديريت برق است که براساس آن هرجا می‌شود، برق مدارهای بيکار کاهش می‌يابد. همچنين، يک‌پارچه شدن شتاب‌بخش‌های ويژه مانند واحدهای پردازش گرافيک (جی‌پی‌يو) و سيگنال‌پردازهایی که می‌توانند محاسبه‌های خاصی را به‌صورت کارآمدتر اجرا کنند، کمک کرده‌اند تا ميانگين کارکرد برق کاهش يابد. 
البته مانند هر روند رو به‌رشد ديگر، اين روند نيز سرانجام پايان خواهد يافت و طراحان مدار قربانی موفقيت‌های خود خواهند شد. هرچه برق مدار در مواقع بيکاری به‌ سوی صفر نيل ‌کند، کامپيوتر کسر کم‌تر و باز هم کم‌تری از انرژی را به‌کار می‌برد. تقريباً در يک دهه آينده، کارکرد انرژی دوباره به ميزان برق مورد نياز کامپيوتر حين کار وابستگی پيدا خواهد کرد و آن مقدار برق نيز با همان موانع فيزيکی که افول قانون مور را رقم زدند، روبه‌رو خواهد شد. اگر می‌خواهيم محاسبات با همان شتاب تاريخی خود به پيش برود، بايد در چند دهه آينده طرح بنيادی کامپيوترها را بازنگری کنيم. در آن زمان، ارتقای پيوسته بازده برق تراشه موقع انجام محاسبه‌های معمول نيز کمی زمان فراهم خواهد کرد تا رويکرد درست را دريابيم. 

پی‌نوشت:
 http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=5440129.