Silicio revoliucija: pirmieji žingsniai
1971-ieji. Inžinierių komanda „Intel” laboratorijose užbaigė darbą, kuris pakeitė viską. Pirmasis komercinis mikroprocesorius 4004 – vos nago dydžio silicio gabalėlis – turėjo 2300 tranzistorių ir galėjo atlikti 60 000 operacijų per sekundę. Tai gali atrodyti juokingai mažai pagal šiuolaikinius standartus, bet tuomet tai buvo stulbinantis pasiekimas.
Prieš 4004 pasirodymą, kompiuteriai užimdavo ištisas patalpas. Jie buvo masyvūs, brangūs ir prieinami tik didžiosioms korporacijoms ar vyriausybėms. Federico Faggin, vienas iš 4004 kūrėjų, vėliau prisipažino, kad net jie patys nesuvokė, kokį revoliucinį įrenginį sukūrė.
Įdomu tai, kad 4004 buvo sukurtas ne asmeniniams kompiuteriams, o japoniškai skaičiavimo mašinėlei. Inžinieriai sprendė praktinę problemą – kaip sumažinti skaičiavimo mašinėlės dydį – ir netyčia pradėjo technologinę revoliuciją.
Ankstyvieji mikroprocesoriai buvo gaminami naudojant 10 mikrometrų technologiją (šiandien naudojame nanometrus). Tai reiškia, kad mažiausios struktūros buvo maždaug žmogaus plauko storio. Nepaisant primityvios gamybos, šie procesoriai padėjo pamatus viskam, ką turime šiandien.
Asmeninių kompiuterių era ir Mūro dėsnis
1978-aisiais „Intel” išleido legendinį 8086 procesorių, kuris tapo x86 architektūros, iki šiol naudojamos daugelyje kompiuterių, pagrindu. Šis procesorius turėjo 29 000 tranzistorių ir dirbo 5-10 MHz dažniu. Palyginimui, šiuolaikinis procesorius turi milijardus tranzistorių ir veikia gigahercais.
Būtent šiuo laikotarpiu pradėjo išsipildyti Gordono Mūro pranašystė. 1965 metais jis pastebėjo, kad tranzistorių skaičius procesoriuje padvigubėja maždaug kas 18-24 mėnesius. Šis dėsningumas, žinomas kaip Mūro dėsnis, stebėtinai tiksliai veikė beveik 50 metų.
Štai kaip atrodė procesorių evoliucija:
- 1971: Intel 4004 – 2300 tranzistorių, 740 kHz
- 1978: Intel 8086 – 29 000 tranzistorių, 5-10 MHz
- 1982: Intel 80286 – 134 000 tranzistorių, 6-12 MHz
- 1985: Intel 80386 – 275 000 tranzistorių, 16-33 MHz
- 1989: Intel 80486 – 1,2 mln. tranzistorių, 25-100 MHz
- 1993: Intel Pentium – 3,1 mln. tranzistorių, 60-300 MHz
Asmeninių kompiuterių revoliucija nebūtų įvykusi be šių procesorių. Apple II, IBM PC, Commodore 64 – visi šie ikoniniai kompiuteriai buvo sukurti aplink mikroprocesorius, kurie nuolat tobulėjo.
Vienas įdomiausių šio laikotarpio faktų – procesorių kūrėjai nuolat kovojo su fizikos dėsniais. Kiekviena nauja karta reikalavo subtilesnių gamybos procesų, geresnio šilumos valdymo ir mažesnio energijos suvartojimo. Inžinieriai ne kartą girdėjo, kad „pasiekėme ribą”, bet vis rasdavo būdų ją peržengti.
Daugiabranduolinė revoliucija ir taktinio dažnio siena
Apie 2004 metus mikroprocesorių evoliucijoje įvyko reikšmingas posūkis. Procesorių gamintojai susidūrė su vadinamąja „taktinio dažnio siena”. Ilgą laiką spartesnį procesorių reiškė didesnį taktinį dažnį – nuo megahercų iki gigahercų. Tačiau didinant dažnį, procesoriai ėmė generuoti tiek šilumos, kad ją tapo neįmanoma efektyviai pašalinti.
AMD ir Intel inžinieriai suprato, kad vietoj vieno greito branduolio geriau turėti kelis lėtesnius. Taip gimė daugiabranduoliai procesoriai. Pirmasis masiškai prieinamas dviejų branduolių procesorius buvo AMD Athlon 64 X2, išleistas 2005 metais. Intel netrukus pasekė su Core Duo.
Daugiabranduolė architektūra pakeitė ne tik aparatinę įrangą, bet ir programinę. Programuotojai turėjo išmokti kurti lygiagretaus skaičiavimo algoritmus, kad išnaudotų visus branduolius. Senesnė programinė įranga dažnai negalėjo pasinaudoti papildomais branduoliais, todėl vartotojai ne visada matė tikėtą našumo šuolį.
Praktinis patarimas: jei naudojate senesnius kompiuterius su daugiabranduoliais procesoriais, patikrinkite, ar jūsų programinė įranga gali išnaudoti visus branduolius. Kartais verta atnaujinti programas arba ieškoti alternatyvų, kurios geriau išnaudoja jūsų aparatinę įrangą.
Įdomu tai, kad daugiabranduoliai procesoriai privertė persvarstyti, kaip matuojame kompiuterio našumą. Anksčiau užtekdavo palyginti taktinį dažnį, dabar reikia atsižvelgti į branduolių skaičių, architektūrą, spartinančiąją atmintinę ir daugybę kitų parametrų.
Mobilieji procesoriai ir energijos efektyvumas
Kol staliniuose kompiuteriuose vyko daugiabranduolė revoliucija, kita procesorių evoliucijos šaka vystėsi mobiliuosiuose įrenginiuose. Čia svarbiausias parametras buvo ne maksimalus našumas, o energijos efektyvumas – kiek skaičiavimų galima atlikti su baterijos įkrova.
ARM architektūra, sukurta dar 1980-aisiais, tapo dominuojančia mobiliuosiuose įrenginiuose. Priešingai nei x86, ARM buvo sukurta galvojant apie energijos taupymą. Šiandien beveik kiekviename išmaniajame telefone, planšetėje ar išmaniajame laikrodyje veikia ARM procesorius.
Apple 2020 metais priėmė drąsų sprendimą pereiti nuo Intel prie savo sukurtų ARM procesorių (M1, vėliau M2, M3) savo kompiuteriuose. Rezultatai nustebino industriją – nauji MacBook kompiuteriai pasiekė neregėtą energijos efektyvumo ir našumo santykį.
Praktinis patarimas naudotojams: renkantis nešiojamąjį kompiuterį, atkreipkite dėmesį ne tik į procesoriaus specifikacijas, bet ir į energijos suvartojimą. TDP (Thermal Design Power) parodo, kiek energijos procesorius sunaudoja piko metu. Mažesnis TDP paprastai reiškia ilgesnį baterijos veikimo laiką.
Mobilieji procesoriai atnešė ir heterogeninės architektūros koncepciją – viename luste apjungiami skirtingų tipų branduoliai. Pavyzdžiui, modernūs telefonų procesoriai turi kelis galingus branduolius sudėtingoms užduotims ir kelis energiją taupančius branduolius paprastesnėms operacijoms.
Specializuoti lustai ir dirbtinis intelektas
Pastarąjį dešimtmetį mikroprocesorių evoliucijoje išryškėjo nauja tendencija – specializuoti lustai konkrečioms užduotims. Universalūs CPU (centriniai procesoriai) vis dar yra kompiuterių širdis, tačiau šalia jų atsirado specializuoti akceleratoriai.
GPU (grafiniai procesoriai) tapo ne tik žaidimų, bet ir dirbtinio intelekto, kriptovaliutų kasimo, mokslinių skaičiavimų varikliu. NVIDIA, AMD ir kitos kompanijos sukūrė GPU, kurie turi tūkstančius mažų branduolių, idealiai tinkančių lygiagretiems skaičiavimams.
Dirbtinio intelekto bumas paskatino kurti TPU (Tensor Processing Unit), NPU (Neural Processing Unit) ir kitus specializuotus lustus, optimizuotus neuroninių tinklų apmokymui ir inferencijai. Google, Apple, Tesla ir kitos kompanijos kuria savo AI lustus, kurie gali būti šimtus kartų efektyvesni specifinėms užduotims nei universalūs CPU.
Įdomu tai, kad šiuolaikiniame išmaniajame telefone gali būti 5-10 skirtingų procesorių:
- Pagrindinis CPU (dažnai su skirtingų tipų branduoliais)
- GPU grafinėms užduotims
- NPU dirbtinio intelekto algoritmams
- ISP (Image Signal Processor) nuotraukų apdorojimui
- DSP (Digital Signal Processor) garso apdorojimui
- Sensorių koprocesoriams
- Saugumo procesorius
Praktinis patarimas: jei dirbate su dirbtinio intelekto modeliais ar vaizdo apdorojimu, verta investuoti į įrenginį su specialiu AI akceleratoriumi. Tai gali pagreitinti užduotis dešimtis kartų, palyginti su įprastu CPU.
Kvantiniai kompiuteriai ir procesorių ateitis
Nors tradiciniai silicio mikroprocesoriai dar ilgai išliks pagrindiniu skaičiavimų varikliu, horizonte jau matome naują revoliuciją – kvantinius kompiuterius. Priešingai nei klasikiniai procesoriai, kurie operuoja bitais (0 ir 1), kvantiniai kompiuteriai naudoja kubitus, kurie gali būti 0, 1 arba abiejų būsenų superpozicijoje.
IBM, Google, Microsoft ir kitos kompanijos jau sukūrė pirmuosius kvantinius procesorius. 2019 metais Google paskelbė pasiekusi „kvantinį pranašumą” – jų 53 kubitų procesorius „Sycamore” per 200 sekundžių atliko skaičiavimą, kuriam galingiausiam superkompiuteriui būtų prireikę 10 000 metų.
Tačiau kvantiniai kompiuteriai nėra tiesiog „greitesni” tradiciniai kompiuteriai. Jie sprendžia visiškai kitokias problemas. Kvantiniai procesoriai puikiai tinka optimizavimo uždaviniams, kriptografijai, molekulių modeliavimui, bet netinka kasdienėms užduotims.
Tradicinių mikroprocesorių evoliucija taip pat tęsiasi. Naujos gamybos technologijos (EUV litografija), naujos medžiagos (grafenas, III-V puslaidininkiai) ir naujos architektūros (neuromorfiniai lustai) žada tolesnį našumo augimą.
Praktinis patarimas: sekite naujienas apie kvantinius kompiuterius, bet neplanuokite artimiausioje ateityje pakeisti savo asmeninį kompiuterį kvantiniu. Greičiausiai kvantiniai skaičiavimai bus prieinami per debesų kompiuterijos paslaugas, kai reikės spręsti specifines problemas.
Mažesnė nei atomas: nanometrų lenktynės
Šiuolaikinių procesorių gamyba pasiekė stulbinantį lygį – TSMC, Samsung ir Intel jau gamina lustus naudodami 3-5 nm technologiją. Tai reiškia, kad mažiausios struktūros yra mažesnės nei daugelis virusų ir artėja prie atskirų atomų dydžio (silicio atomo skersmuo yra apie 0,2 nm).
Gamybos procesas tapo neįtikėtinai sudėtingas. Modernioje gamykloje naudojami ekstremalios ultravioletinės šviesos (EUV) litografijos įrenginiai, kainuojantys šimtus milijonų eurų. Šviesą generuoja lazeriu kaitinami alavo lašeliai, kurie virsta plazma ir skleidžia 13,5 nm bangos ilgio spinduliuotę.
Nanometrų lenktynės turi ir geopolitinį aspektą. Šiuolaikinių procesorių gamyba tapo strategine technologija, dėl kurios varžosi JAV, Kinija, Pietų Korėja ir Taivanas. TSMC gamyklos Taivane gamina didžiąją dalį pažangiausių pasaulio procesorių, o tai kelia riziką tiekimo grandinėms.
Artėjame prie fizikos dėsnių nulemtų ribų. Kai struktūros tampa tokios mažos, pradeda reikštis kvantiniai efektai – elektronai gali „tuneliauti” per barjerus, atsiranda šiluminiai svyravimai. Inžinieriai ieško naujų būdų, kaip išspausti daugiau našumo:
- 3D tranzistoriai (FinFET, GAAFET)
- Vertikalus lustų sluoksniavimas
- Naujos medžiagos, pakeisiančios silicį
- Optiniai kompiuteriai, naudojantys fotonus vietoj elektronų
Praktinis patarimas: perkant naują kompiuterį, technologinis procesas (nm) yra svarbus, bet ne vienintelis parametras. 7 nm procesorius su geresne architektūra gali būti našesnis nei 5 nm su senesne. Vertėtų žiūrėti į realius našumo testus, o ne tik į techninius duomenis.
Silicio sapnai: kur mus nuves procesorių kelias
Mikroprocesorių evoliucija per pastaruosius 50 metų buvo stulbinanti. Nuo paprastų 4-bitų procesorių su keliais tūkstančiais tranzistorių perėjome prie sudėtingų sistemų su milijardais tranzistorių, integruotais AI akceleratoriais ir specializuotais branduoliais.
Kiekviena karta susidurdavo su iššūkiais, kurie atrodė neįveikiami – taktinio dažnio riba, energijos suvartojimas, gamybos technologijų apribojimai. Tačiau inžinieriai vis rasdavo kūrybiškų sprendimų. Kai negalėjome didinti dažnio, perėjome prie daugiabranduolių architektūrų. Kai tradicinė architektūra tapo neefektyvi, sukūrėme specializuotus akceleratorius.
Ateityje tikriausiai matysime dar didesnę specializaciją – procesoriai bus kuriami konkrečioms užduotims, o ne kaip universalūs įrenginiai. Neuromorfinis skaičiavimas, imituojantis žmogaus smegenų veikimą, gali tapti nauju standartu AI aplikacijoms. Kvantiniai kompiuteriai spręs problemas, kurios šiandien atrodo neįveikiamos.
Tačiau svarbiausia pamoka iš mikroprocesorių istorijos – technologijų poveikis yra nenuspėjamas. 1971 metais niekas negalėjo įsivaizduoti, kad tas mažas silicio gabalėlis pakeis viską – nuo to, kaip dirbame ir bendraujame, iki to, kaip pramogaujame ir mokomės.
Galbūt didžiausia mikroprocesorių revoliucijos pamoka yra ta, kad technologinė pažanga nėra tiesiog greitesni įrenginiai ar didesni skaičiai specifikacijose. Tikroji revoliucija įvyksta, kai technologija tampa prieinama visiems ir leidžia žmonėms kurti dalykus, kurių anksčiau nebuvo įmanoma įsivaizduoti.
Tad sekantį kartą, kai naudositės išmaniuoju telefonu ar kompiuteriu, skirkite akimirką pagalvoti apie tą mažą silicio gabalėlį viduje – mikroprocesorių, kuris per vieną sekundę atlieka daugiau skaičiavimų, nei žmogus galėtų atlikti per šimtą metų. Tai ne tik inžinerijos stebuklas, bet ir vienas didžiausių žmonijos pasiekimų.