SERIÁL

V tomto seriálu osvětlujeme běžné mýty světa počítačů a z technického hlediska zkoumáme jejich pravdivost.

"Každé dva roky se zdvojnásobí výpočetní výkon"

Mooreův zákon předpokládá rychlý vývoj počítačových čipů. Běžný výklad tohoto zákona je ale mylný.

MÝTUS

V roce 1965 nastínil spoluzakladatel společnosti Intel Gordon E. Moore předpoklad, jakou rychlostí bude v následujících letech probíhat vývoj polovodičového průmyslu. Tehdejší odhad stále víceméně odpovídá tempu vývoje a je dnes znám pod označením "Moorův zákon".
Tehdejší znění Moorova zákona hovořilo o tom, že množství tranzistorů integrovaného obvodu se bude zdvojnásobovat každých dvanáct měsíců, a to za stejnou cenu. V roce 1975 Moore upravil znění zákona do podoby, jež je platná dodnes. Upravený zákon tvrdí, že počet tranzistorů na dané ploše integrovaného obvodu se bude zdvojnásobovat každých 24 měsíců. Hlavním důvodem pro nárůst počtu tranzistorů na čipu je zmenšování výrobního procesu tranzistorů. Mooreův zákon však neříká nic o zdvojnásobování výpočetního výkonu.
Je pravda, že se vzrůstajícím počtem tranzistorů vzrůstá i výpočetní výkon procesoru, ale tento vztah nemusí být nutně lineární. Velká část tranzistorů je totiž umístěna v částech procesoru, které mají jen nepřímý, nebo dokonce žádný vliv na celkový výpočetní výkon. Mezi tyto části patří rozličné vyrovnávací paměti, paměťové řadiče, obvody sloužící k úspoře energie nebo například integrovaná grafická jednotka, která se dnes běžně nachází na shodné destičce s výpočetní jednotkou procesoru.
Zrychlení výpočetního výkonu je dosahováno zvýšením taktovací frekvence procesoru nebo změnou jeho architektury. Moderní tranzistory dokážou provést až tři miliardy sepnutí za sekundu, přičemž tranzistory na počátku 80. let uměly změnit stav pouze osmmilionkrát za sekundu. Dlouhou dobu bylo zvyšování výpočetního výkonu realizováno hlavně nárůstem frekvence procesoru, ale tento přístup musel být kvůli zvyšující se energetické zátěži a častému nechtěnému protékání proudu pozměněn. Intel tak u sériově vyráběných desktopových procesorů od roku 2005 nepřekonal taktovací frekvenci nejvýkonnějšího Pentia IV, které bylo taktováno na 3,8 GHz.
Výhodnější cestu zvyšování výpočetního výkonu představuje změna architektury, která přinesla zvýšení počtu jader (či lépe řečeno výpočetních vláken) procesoru. Tato vlákna zpracovávají zadané úlohy paralelně, a tedy rychleji. Prvním krokem k zavedení vícevláknového zpracování programů byla technologie Hyper Threading, která umožnila paralelní zpracování dvou úloh na procesoru s jedním fyzickým jádrem. Touto technologií jsou vybaveny i některé dnešní vícejádrové procesory, takže například čtyřjádrový procesor s technologií HT zpracovává zároveň osm programových vláken.
Legendární procesor Intel 80286 dokázal v roce 1982 zpracovat 1 milion instrukcí za sekundu, jeho výkon tedy představoval 1 MIPS. Pokud by platilo, že každé dva roky se výkon procesorů zdvojnásobí, pracovaly by moderní procesory rychlostí 20 000 MIPS, ale například současný Core i7-2600K dosahuje mnohem vyššího výkonu, 118 000 MIPS. Mooreův zákon tedy platí dodnes, ale týká se pouze počtu tranzistorů, ne opravdového výpočetního výkonu, který se zvyšuje rychleji.
V reálném použití v podstatě procesor neustále čeká. Například přístupová doba obyčejného magnetického pevného disku se pohybuje okolo 20 ms, přičemž 3,0GHz procesor musí na příchod dat z tohoto disku počkat až 60 milionů cyklů. Magnetické pevné disky představují nejužší výpočetní hrdlo systému, a proto je dobré spíše než pořizovat rychlejší procesor investovat do SSD disku.
AUTOR@CHIP.CZ


Počet tranzistorů se zdvojnásobuje, výpočetní výkon ale narůstá rychleji
Počet tranzistorů v procesoru se každé dva roky zdvojnásobí, ale celkový výpočetní výkon stoupá díky zvyšování frekvence a inovacím architektury procesorů mnohem rychleji.

Schéma tranzistoru
Zpracování operací v procesoru probíhá pomocí přepínání tranzistorů. Šířka brány dnešních procesorů činí 32 nm. Nejvýkonnější serverové procesory obsahují až 3 miliardy tranzistorů.