El final de la llei de Moore?

Ningú pot dir exactament quan l'era de la Llei de Moore arribarà a la seva fi. No obstant això, els experts en semiconductors no poden resistir-se a especular sobre aquest dia, conscients que marcarà el final d'un període extraordinari de la història, amb conseqüències incertes per a una de les indústries més importants del món.

El que si que se sap és que en els últims 15 anys s'ha vist una gran caiguda en la millora del rendiment amb cada nova generació de xips d'última generació. Això vol dir que s'està a la vora del final? No exactament, perquè tot i que la física fonamental està treballant en contra, sembla que hi haurà un respir quan es consideri l'eficiència energètica.

Hi ha moltes maneres de mesurar l'eficiència d'un ordinador però un dels valors calculats més fàcilment és l'eficiència del pic de sortida, que mesura l'eficiència d'un processador quan s'està executant de forma més ràpida.

L'eficiència de pic de sortida es coneix normalment com el nombre de càlculs que es poden realitzar per quilowatt-hora d'electricitat consumida. D'acord amb l'article En els anals de la història de la informàtica, revisat per experts i publicat l'any 2011 per la IEEE, l'eficiència de pic de sortida es va duplicar cada any i mig de forma periòdica durant més de cinc dècades.

Aquesta tendència es va iniciar molt abans del primer microprocessador, a mitjans de la dècada de 1940. Però va començar a arribar a la seva fi al voltant de 2000. El creixement en l'eficiència i el rendiment de pic de sortida ha començat a disminuir, aclaparat per les limitacions físiques dels transistors. Els fabricants de xips es van bolcar a fer canvis-arquitectònics, com ara col·locar múltiples nuclis de processament en un sol microprocessador, però no van ser capaços de mantenir les taxes de creixement històriques.

Afortunadament, la notícia no és del tot dolenta. Les necessitats de computació han canviat. Anys després de l'article de Moore del 1965, els ordinadors eren cars, relativament estranys. Ara són a tot arreu i barats. L'èmfasi en el disseny de xips s'ha desplaçat cap a CPUs ràpides en màquines estacionàries per al processament ultra baix d'energia en els aparells mòbils, com ordinadors portàtils, telèfons mòbils i tauletes.

Avui dia la majoria de les computadores funcionen a potència màxima només durant una petita fracció de temps (hi ha un parell d'excepcions com els supercomputadors d'alt rendiment i els generadors de Bitcoin). Els dispositius mòbils, com telèfons intel·ligents i ordinadors portàtils, solen operar en el seu pic computacional menys de l'1 per cent del temps sobre la base comuna de la indústria. Els servidors de dades per a empreses passen menys del 10 per cent de l'any operant en el seu punt màxim. Fins i tot els equips que s'utilitzen per proporcionar serveis d'Internet basats en el núvol funcionen a tot volum, menys de la meitat del temps.

En aquest nou règim, un bon disseny de la gestió de l'energia és aquell que minimitza la quantitat d'energia que consumeix un dispositiu quan està inactiu o apagat. I el millor indicador de l'eficiència energètica és la quantitat d'electricitat que un ordinador consumeix de mitjana, quan no s'està operant a màxim rendiment de recuros.

Recentment s'ha definit una mesura d'eficiència que està més en sintonia en com s'utilitzen els xips d'avui en dia, el que anomenem "l'eficiència en l'ús típic". Igual que l'eficiència de pic de sortida, es mesura en càlculs per quilowatt-hora. Aquest cop, però, es calcula dividint el nombre de càlculs realitzats en el transcurs d'un any per l'electricitat total consumida -una suma ponderada de l'energia d'un processador i el seu ús de circuits de suport en diferents maneres en el mateix període. Per exemple, un ordinador portàtil podria funcionar a potència màxima quan el seu usuari està jugant un joc, però això només passa una petita fracció del temps. Altres activitats comunes, com ara processament de textos o reproducció de vídeo, poden consumir una desena part de l'electricitat, ja que només s'utilitza una fracció del xip. La gestió d'energia intel·ligent pot tancar activament circuits entre les pulsacions de teclat i els fotogrames de vídeo.

És encoratjador que l'eficiència en l'ús típic sembla anar de debò, basada en proves realitzades des de l'any 2008 a la línia de producció de xips AMD. Pel que sembla als voltants del 2020, segons els càlculs i gràcies a una iniciativa d'AMD, l'eficiència en l'ús típic es duplicarà aproximadament cada 1,5 anys i, per tant, es tornarà de nou a la mateixa taxa observada durant l'apogeu de la Llei de Moore.

Fonts de dades: AMD, Koomey et al. (2011)

Aquests guanys provenen de millores agressives per al disseny de circuits, la integració de components i software, així com els esquemes de gestió de l'energia que posen els circuits utilitzats en estats de baixa energia al màxim. La integració dels acceleradors especialitzats, com ara unitats de processament de gràfics i processadors de senyal que poden realitzar certs càlculs de manera més eficient, també ha ajudat a mantenir el consum mitjà d'energia cap avall.

Per descomptat, com amb qualsevol tendència exponencial, aquest acabarà eventualment i els dissenyadors de circuits es convertiran en víctimes del seu propi èxit. Com més s'aproxima el consum d'energia en repòs a zero, aquesta equival a una fracció més petita de l'energia consumida per un ordinador. En una dècada, el consum d'energia estarà dominat per la potència consumida quan un equip està actiu. I aquesta potència activa seguirà sent "ostatge" de la física rere la desacceleració de la Llei de Moore.

Durant les pròximes dècades caldrà repensar el disseny fonamental de les computadores si es vol mantenir la computació avançant a taxes històriques. Mentrestant, les constants millores en l'eficiència energètica diària donaran una mica més de temps per trobar el camí.

Font: IEEE Spectrum