Kraj Mooreovog zakona! – ili zašto svaka naredna serija pametnih telefona nije više puno bolja od prethodne
Nove flagship serije telefona više ne nude mnogo veća poboljšanja, pri čemu je cijena ostala nepromijenjena. Logaritamski rast performansi suočen je s logaritamskim ograničenjima
Osobama iz računarskih nauka vjerovatno je poznato opažanje Gordona Moorea, osnivača Intela, tehnološkog giganta u proizvodnji mikroprocesora, koja se naziva Mooreov zakon [1]. Zapažanje glasi: “Broj tranzistora na mikročipu se udvostručuje svake dvije godine, dok će se cijena računara u istom periodu prepoloviti.”
Laički rečeno, svaki tranzistor u mikročipu predstavlja jedan obični prekidač, te je sva “pamet” digitalne elektronike zasnovana na prekidaču. Prekidač prosljeđuje signal sa ulaza na izlaz ili ga ne prosljeđuje, odnosno svjetlo je upaljeno – 1 ili je svjetlo ugašeno – 0. Jedinica ili nula, odnosno to upaljeno ili ugašeno svjetlo u digitalnoj elektronici može biti bit informacije u broju binarnog zapisa, osvjetljenosti pojedinog piksela na ekranu itd. Današnji procesori u laptopima za osobnu upotrebu na površini reda jednog kvadratnog centimetra imaju od jedne do pet milijardi tranzistora, odnosno procesor koji stane u prostor veličine prekidača za svjetlo može sadržavati i do 20 milijardi minijaturnih prekidača, koji su sposobni prekidati milijardu puta u sekundi – frekvencija reda GHz. Odnosno, povećanje broja tranizstora na mikročipu direktno je uzrokovano razvojem tehnologije izrade mikročipova i potrebom za bržim, jačim i boljim računarima – ili od “bijednih” 29.000 tranzistora modela Intel 8086 do reda 2.9+ milijardi tranzistora u Core-i5.x procesorima.
Gledajući grafik, koji je po y-osi logaritamski, trend pakovanja duplo većeg broja procesora na mikročipu se naizgled nije promijenio, ali ono što je očito jest to da za iste novce više ne dobijamo duplo bolji telefon svake dvije godine kako smo to ranije navikli [2]. Sadašnja tehnologija izrade mikročipova došla je do granice zakonâ fizike [3]. Kvaka je u tome da se procesori proizvode slojevitim na silicijumskim pločicama, te tehnologija izrade trenutno omogućava debljinu sloja od 5 nanometara. To znači da je udaljenost između dva kontakta prekidača (tranzistora) 5 nanometara. Na toj udaljenosti naći će se 12-14 atoma silicijumskog poluprovodnika. Zbog toga je broj tranzistora i frekvencija rada (više GHz), zaista nešto i značio kada smo starije generacije pentium procesora mijenjali novijim.
Povećanje performansi današnjih uređaja vrši se paralelnim obavljanjem više zadataka ili paralelizacijom procesa. Međutim, i ovdje postoji određeno ograničenje. Ukoliko jezgra procesora posmatramo kao npr. dva kuhara koji prave palačinke, prvo se moraju dogovoriti ko će peći palačinke, a ko će mazati nadjev. Dio posla se može obavljati paralelno, međutim ukoliko je jedan radnik spreman da maže nadjev, a palačinke nisu gotove, on ne može raditi. Odnosno, ukoliko se dio procesa od minutu može paralelizrati, a ukupan proces traje 20 minuta, proces se paralelizacijom može izvršiti za 19.5 minuta. Amdahlov zakon [4] daje preciznu formulu po kojoj je moguće izračunati skraćivanje vremena obavljanja nekog procesa.
Amdahlov zakon (Izvor: By Daniels220 at English Wikipedia, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org)
Kao i u stvarnom životu, izvršenje određenih procesa moguće je paralelizirati ukoliko njihov rezultat ne ovisi od prethodno obavljene radnje. Stoga i povećavanje broja procesorskih jezgri ima svoja ograničenja, zbog potrebne količine utroška električne energije ili zbog realne iskoristivosti. Baterije mobilnih telefona, iako neznatno bolje, ne mogu se nositi sa energetskim zahtjevima bržih, jačih i boljih procesora, senzora kamere koji su i sami mikročipovi ili većih ekrana. Odnosno, po Amdahlovom zakonu, program koji je moguće paralelizirati 95% moguće je ubrzati najviše 20 puta. Odnosno desetojezgreni procesor sa dva threada po jezgri ubrzaće neki proces dvadeset puta.
Šta nam onda nude nove serije telefona?
Pored očigledne razlike u dizajnu, sa tehničkog aspekta, osim marketinškog senzacionalizma raznih youtubera “THIS IS NEXT BIG THING”, tehnološki napredak treće decenije trećeg milenija u odnosu na drugu deceniju je zanemariv. Te davne 2011. smo imali prve OLED ekrane, touchscreen telefone, višejezgrene procesore i manje-više svu tehnologiju na početku svog razvoja, koju imamo i danas. Danas, procesori su usljed finog poboljšavanja, paralelizacije softvera i dodavanja jezgri mnogo bolji, ali i u tehničkom zastoju zbog fizičkih ograničenja od 2015.
Razvoj litijum-ionskih baterija također je, prema vijestima iz industrije, u proteklih trideset godina dosegao svoj vrhinac [5], pri čemu se kapacitet u posljednih pet godina povećao samo 5%. Zbog hemijskih ograničenja materijala i sigurnosti upotrebe, nije moguće ići puno dalje. Ovdje se, dakako misli na gustoću energije baterije koja se mjeri u Wh/kg, dakle u količini električnog naboja po jedinici mase. Jedan od pravaca razvoja je korištenje drugih, boljih materijala kada budu komercijalno dostupni. Mobilni telefoni devedesetih poput poznate Nokije 3310 imali su malu potrošnju energije u odnosu na današnje, te nisu imali ni približno funkcionalnosti kao današnji, niti su imali iste baterije – imali su zapravo puno lošije.
Ostaje fascinantno da, ne samo u nekim laboratorijama već u našim džepovima nosimo milijardu prekidača, između čijih je kontakata prostor reda veličine atoma sa ekranima i kamerama boljih rezolucija nego što ih može primijetiti naš vid. Ipak, mali razvoj i znatna poboljšanja tehnologije koju pogone kupci podstrekivani YT senzacionalistima i marketinškim korporacijama i dalje je ograničen Amdahlom i Mooreom [6], do nekog slijedećeg većeg otkrića.
Mirza Krajina, Prometej.ba
[1] https://www.chiphistory.org/20-moore-s-law-origin…
[2] https://www.synopsys.com/glossary/what-is-moores-…
[3] https://www.youtube.com/watch?v=rtI5wRyHpTg
[4] Gene M. Amdahl (1989), Oral history interview with Gene M. Amdahl, University of Minnesota
[5] https://www.asme.org/topics-resources/content/adv…
[6] Logaritamski razvoj suprostavljen logaritamskim ograničenjima
