CC BY
91
О ДИНАМИКЕ ТАКТОВОЙ ЧАСТОТЫ ПРОЦЕССОРОВ
© Горшков В.В.*, Исаков О.А.
ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», г. Москва
Представлены результаты исследования динамики роста тактовой частоты процессоров на примере процессоров компании Intel за первые 30 лет после выпуска ее первого микропроцессора 4004. Выявлено возрастание темпов роста тактовой частоты.
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.
Гордон Мур сумел предугадать высокие темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед и предсказать, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться. Более того, одновременно он сделал важный прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство - все более массовым [1]. Впоследствии этот закон был уточнен и теперь считается, что удвоение числа транзисторов происходит каждые 18 месяцев. Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура».
Целью настоящей работы было подтверждение факта экспоненциального роста такого параметра, как тактовая частота процессоров, в течение первых 30 лет после создания первого микропроцессора, а также показателя указанного экспоненциального роста. Напомним формулировку 2.2 Закона Мура: «тактовая частота микропроцессоров удваивается каждые 18 месяцев» [2].
В качестве примера рассмотрим эволюцию процессоров фирмы Intel за указанный период, которые назывались раньше микропроцессорами. Причина тому простая: после процессора Pentium III разнообразие процессоров существенно увеличилось, и тактовая частота уже перестала играть столь очевидную роль показателя быстродействия.
За период 1971-2000 гг. фирма Intel выпустила 127 модификаций процессоров общего назначения. Все они перечислены в следующей таблице, которая была взята ранее сна сайте компании Intel [3].
* Директор по развитию Научно-медицинского центра «Микроэлемент», доктор технических наук, профессор.
Таблица 1
Даты выпуска процессоров фирмы Intel за первые 30 лет
Процессор Дата выхода Отн. дата, дни
Pentium III Xeon (933 МГц) 24.5.2000 10418
Pentium III Xeon (700 МГц) 22.5.2000 10416
Pentium III Xeon (866, 800, 733, 667, 600 МГц) 12.1.2000 10285
Pentium III Xeon (500, 550 МГц) 17.3.1999 9984
Mobile Pentium III SpeedStep(700, 650, 600 МГц) 18.1.2000 10291
Pentium III (1.0 ГГц, 933 МГц, 866/850 МГц) 8.3.2000 10341
Pentium III (500, 533, 550, 600, 650, 667, 700, 733МГц) 25.10.1999 10206
Pentium III (450, 500, 550, 600 МГц) 26.2.1999 9965
Pentium II Xeon (450 МГц) 5.1.1999 9913
Pentium II Xeon (400 МГц) 29.6.1998 9723
Mobile Pentium II (300 МГц) 9.9.1998 9795
Mobile Pentium II (233, 266 МГц) 2.4.1998 9635
Pentium II (333 МГц) 26.1.1998 9569
Pentium II (300, 266, 233 МГц) 7.5.1997 9305
Mobile Celeron (700, 650 600, 550 500 450 МГц) 14.2.2000 10318
Mobile Celeron (466/433 МГц) 15.9.1999 10166
Mobile Celeron (400 МГц) 14.6.1999 10073
Mobile Celeron (366 МГц) 17.5.1999 10045
Mobile Celeron (333 МГц) 5.4.1999 10003
Mobile Celeron (66, 300 МГц) 25.1.1999 9933
Celeron (600, 566 МГц) 29.3.2000 10362
Celeron (533 МГц) 4.1.2000 10277
Celeron (466, 500 МГц) 26.4.1999 10024
Celeron (433 МГц) 22.3.1999 9989
Celeron (400, 366 МГц) 4.1.1999 9912
Celeron (300A МГц) 24.8.1998 9779
Celeron (300 МГц) 8.6.1998 9702
Celeron (266 МГц) 15.4.1998 9648
Pentium Pro (200 МГц) L2 1Mb 18.8.1997 9408
Pentium Pro (200, 180, 166, 150 МГц) 1.11.1995 8752
Mobile Pentium MMX (300 МГц) 7.1.1999 9915
Mobile Pentium MMX (266 МГц) 12.1.1998 9555
Mobile PentiumMMX (200, 233 МГц) 8.9.1997 9429
Pentium (233 МГц) ММХ 2.6.1997 9331
Pentium (200, 166 МГц) ММХ 8.1.1997 9186
Pentium (200 МГц) 10.6.1996 8974
Pentium (166, 150 МГц) 4.1.1996 8816
Pentium (133 МГц) ?.6.1995 8613
Pentium (20 МГц) 27.3.1995 8533
Pentium (90 100 МГц) 7.3.1994 8148
Pentium (75 МГц) 10.10.1994 8365
Pentium (60 66 МГц) 22.3.1993 7798
Intel486 SL CPU 9.11.1992 7665
IntelDX2 Processor 3.3.1992 7414
Intel486 SX CPU 16.9.1991 7245
Intel386 SL CPU 15.10.1990 6909
Продолжение табл. 1
Процессор Дата выхода Отн. дата, дни
Intel486 DX CPU 7.5.1990 6748
Intel386 SX CPU 16.6.1988 6058
Intel386 DX CPU 17.10.1985 5085
80286 ?.2.1982 3745
8088 ?.6.1979 2769
8086 8.6.1978 2397
8085 ?.3.1976 1582
8080 ?.4.1974 882
8008 ?.4.1972 152
4004 15.11.1971 0
В этой таблице последняя колонка содержит количество дней, прошедших с 15 ноября 1971 года (когда был выпущен самый первый процессор фирмы Intel под кодом 4004) до даты выхода процессора в соответствующей строке. Если месяц не указан, то считается, что процессор выпущен 15 числа этого месяца. Данные о частоте за все время показаны на рис. 1 и 2. На этих рисунках также нарисована прямая, которая в соответствии с методом наименьших квадратов Гаусса наилучшим образом приближает данные. Процессоры 8080 8008 и 4004 не включены. То же оказывается справедливым и для процессоров, выпущенных в течение выбранного пятилетия (1995-2000 гг., см. рис. 3 и 4) и для процессоров «основного» потока - процессоров для настольных компьютеров (см. рис. 5 и 6, процессоры 8080, 8008, 4004 не включены).
+88 • -86 - •
2000
.8S Ig F=.0Q0285T- 240870
_ ~ ^ -J ¿5 J
Рис. 1. Логарифм тактовой частоты всех процессоров, выпущенных фирмой Intel (ось абсцисс - логарифм тактовой частоты, ось ординат - время в днях от 15 ноября 1971 года)
Рис. 2. Логарифм тактовой частоты всех процессоров, выпущенных фирмой Intel (ось абсцисс - время в днях от 15 ноября 1971 года, ось ординат - логарифм тактовой частоты)
Рис. 3. Логарифм тактовой частоты всех процессоров, выпущенных фирмой Intel в период 1995-2000 гг. (ось абсцисс - логарифм тактовой частоты, ось ординат - время в днях от 15 ноября 1971 года)
Рис. 4. Логарифм тактовой частоты всех процессоров, выпущенных фирмой Intel в период 1995-2000 гг. (ось абсцисс - время в днях ось ординат - логарифм тактовой частоты)
Рис. 5. Логарифм тактовой частоты процессоров для настольных компьютеров (не Celeron, Xeon или Mobile), выпущенных фирмой Intel за последние пять лет (ось абсцисс - логарифм тактовой частоты, ось ординат - время в днях от 15 ноября 1971 года)
lg F = .000433 Т -1.605660
8500 9000 9500 10000
Рис. 6. Логарифм тактовой частоты процессоров для настольных компьютеров (не Celeron, Xeon или Mobile), выпущенных фирмой Intel в период 1995-2000 гг. (ось абсцисс - время в днях, ось ординат - логарифм тактовой частоты)
Таким образом, мы убедились в том, что экспоненциальный рост производительности действительно имеет место. Однако тут есть одна существенная оговорка. Можно заметить, что с течением времени проведенного исследования наклон этой прямой даже увеличивается (см. рис. 3 и 4, процессоры 8080, 8008,4004 не включены).
Возникает вопрос: не свидетельствует ли это о том, что Закон Мура перестает действовать? На самом деле, это похоже на правду, точнее, темп наращивания тактовой частоты возрастает по сравнению с тем, который связан с Законом Мура. Так, в [4] говорится: «Не исключено также, что падет и главный постулат Гордона Мура - специалисты в области микроэлектроники предвещают, что количество транзисторов возрастет не вдвое, а в три или четыре раза. Все эти кардинальные изменения произойдут не позднее, чем к началу 2014 года. И это при том, что буквально в 2007 году сам Мур обещал -закон останется в силе еще как минимум десять лет». Однако все это относится к основной формулировке Закона Мура - плотности транзисторов на одном кристалле. Приведенные выше результаты исследования динамики тактовой частоты свидетельствуют о том, что, по-видимому, это можно отнести с определенными поправками и к следствию из Закона Мура, связанному с тактовой частотой процессоров.
Попутно заметим, что недавно была определена дата окончания действия Закона Мура: 2036 г. [5], причем не по причине ускорения роста плотности транзисторов, а по причине полного прекращения такого роста. Такое ограничение определяется фундаментальным принципом неопределенности Гейзенберга. Если предположить, что электрон - будущий предел в технологии производства микросхем и процессоров, тогда можно считать, что т.н. комптоновская длина волны, равная примерно 0,00243 нм, является фундаментальным пределом для определения его положения в пространстве. На основании этого факта Джеймс Р. Пауэлл определил дату, когда путем миниатюризации транзисторов такое ограничение будет достигнуто, и эта дата - 2036 год.
При формулировке Закона Мура плотность транзисторов на одном кристалле составляла несколько штук. Сейчас она превышает уже 2 млрд. Какой она станет в 2036 г., даже предсказать сложно.
На рис. 7 представлен график динамики плотности размещения транзисторов на одном кристалле (N) за период от создания первой микросхемы с двумя транзисторами до момента, когда дальнейшее уплотнение станет невозможным по Дж.Р. Пауэллу (2036 г.): до 2011 г. - реальная кривая, а затем -прогностическая. На этой кривой обозначены следующие даты:
1959 - создание двухтранзисторной схемы.
1965 - год формулирования закона Мура.
1971 - производство первого процессора компанией Intel.
2014 - начало ускоренного увеличения плотности транзисторов.
T1 - момент наибольшего темпа роста N (точка перегиба кривой).
T2 - момент возврата к действию традиционного закона Мура (касательная к кривой в данной точке параллельная прямой в начальной области, в которой действует закон Мура и в которой мы находимся сейчас).
2036 г. - достижение предельно возможной плотности транзисторов Лгпр. Видимо, после достижения такой плотности дальнейший рост производительности будет достигаться за счет увеличения размеров кристалла или их комплексирования
Область 2014-2036 гг. можно считать зоной действия модификации закона Мура, состоящей в том, что рост плотности продолжается, но показатель такого роста меняется со временем.
Следует отметить, что в последние годы, несмотря на повышение темпов роста плотности транзисторов, все больше говорят о технических и технологических трудностях в создании новых чипов для информационных систем. Прежде всего, такие трудности связывают с проблемой отвода тепла. Однако появляются такие разработки, как мемристоры, трехмерные чипы, графеновые нанотранзисторы, экситонные транзисторы и т.д. [6]. Это говорит о том, что возникающие технические проблемы будут преодолеваться «в порядке поступления». Однако такие проблемы могут привести к
тому, что области, подобные кривой в период 2014-2036, с перегибами в нижнюю и верхнюю стороны, могут появляться не один раз, а несколько. Все это может видоизменить представленную кривую и в ней появится не один, а несколько таких участков.
Рис. 7. Эволюция плотности размещения транзисторов на одном кристалле во времени
Список литературы:
1. Закону Мура 40 лет [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.ixbt. com/editorial/moorelaw40th. shtml.
2. Официальный сайт компании Intel [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.intel.com.
3. Скробов А. Закон Мура [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:ro3aXxh2o3QJ:cs.usu. edu.ru/study/moore.
4. Закон Мура не устоял перед прогрессом [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.pravda.ru/science/eureka/inventions/20-06-2009/314675-fab32-0.
5. Пауэлл Дж.Р. Квантовое ограничение Закона Мура // Технология и конструирование в электронной аппаратура. - 2009. - № 3. - С. 26-27.
6. Построена гибридная микросхема для спасения закона Мура [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/13551.
