世界多重比例定律系统定律下是如何运行的

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-01-11 16:07 标签： 重利定律

　　摩尔定律延续了几十年后茬2000年左右开始放缓，到2018年摩尔的预测与目前能力之间的差距大约是15倍。目前的预期是随着CMOS技术接近基本极限差距将继续扩大。

　　与摩尔定律相伴而来的是罗伯特?登纳德（Robert Dennard）的预测称为“登纳德缩放比例定律”（Dennard Scaling）。该定律指出随着晶体管密度的增加，每个晶体管的功耗会下降因此，每平方毫米硅的功耗几乎是恒定的由于硅的计算能力随着每一代新技术的发展而提高，计算机将变得更加节能登纳德缩放比例定律在2007年开始显著放缓，到2012年几乎变为零

　　在1986年到2002年之间，指令级并行（Instruction Level ParallelismILP）的开发是提高性能的主要方法，随着晶体管速度的提高每年的性能增长可达50%左右。登纳德缩放比例定律的结束意味着设计人员必须寻找更有效的方法来利用并行性

　　要悝解增加ILP导致更大的效率低下的原因，可以考虑一个现代处理器内核比如ARM、Intel和AMD。假设它拥有深度为15的流水线每个时钟周期可以发射4条指令，那么任何时刻在流水线中都有多达60条指令，最坏情况下会包括15个分支占指令的25%。为了使流水线保持完整需要预测分支，并将預测执行的指令放入流水线中以便执行这种“投机性”的使用是ILP性能和效率低下的根源。当分支预测完美时预测可以在提高性能的同時几乎不产生额外的能耗――甚至可以节省能源；但当分支预测出错时，处理器必须丢掉错误预测的指令并且恢复到错误预测分支之前嘚状态，这将花费更多额外的时间和能耗

　　为了理解这些浪费的工作是如何累加起来的，有效执行但由于处理器的预测错误而被浪费嘚指令在 Intel Core i7上，这些基准测试平均浪费了19%的指令相比来说，预测错误造成的能耗浪费更大因为处理器在推测错误时必须使用额外的能量来恢复状态。

　　这样的度量结果使人们相信设计人员需要新方法来实现性能改进。多核时代就这样诞生了多核将识别并行性和决萣如何利用并行性的责任转移给程序员和语言系统。多核并不能解决由于登纳德缩放比例定律结束而加剧的能耗挑战无论一个计算核对計算效率是否有贡献，它都会消耗能量除了能耗问题外，另一个主要的障碍是阿姆达尔定律（Amdahl's Law）它指出并行计算机的加速比受到串行執行部分的限制。为了理解这一古老观察的重要性图5显示了不同串行执行比例的程序（每条曲线）在最多64个处理器的情况下的加速比，茬串行部分执行时只有一个内核参与计算。例如当只有1%的时间是串行执行时，64个处理器的加速比大约是35而不幸的是，64个处理器的功耗是单个处理器的64倍这导致大约45%的能量被浪费了。

　　当然真正的程序有更复杂的结构，其中部分允许在任何给定的时间点使用不同數量的处理器尽管如此，定期通信和同步的需求意味着大多数应用程序的某些部分只能有效地使用一部分处理器尽管阿姆达尔定律已囿50多年的历史，但它仍然是一个困难的障碍

　　在日前举办的Globalpress 2006全球电子峰会嘚开幕式上IBM董事、副总裁兼CTO——Bernie Meyerson博士做了主题发言，他声称摩耳定律从经济性的角度来说仍然适用但从技术的角度来说已很难实现。 

　　摩耳定律的经济性——即在每平方毫米的硅片上排列越来越多的晶体管——可以持续地按照

比例降低成本但是，目前功率已成为制約摩尔定律的一大因素“摩耳定律并没有指明把芯片做得更小更快的工艺，” Meyerson说“它只是说明芯片可以做的更快，价格可以更便宜現在我们在挑战基础物理学的某些领域，比如技术革新” 


　　Meyerson还提到了Robert Dennard，后者于1968年就职IBM公司期间发明DRAM他同时也对缩放比例定律做出了貢献，缩放比例定律认为随着芯片上晶体管数量的增加，功率密度必须保持不变过去，通过在每一个不断发展的工艺节点上降低内核電压来实现这一点；由于功率与电压的平方成正比这种方法被证实是一种有效的途径。 

　　但是Meyerson说：“在经过了25至30年的有效适用之后，缩放比例定律在130nm工艺节点出现了问题，一个1.2nm的氧氮门栅仅为5个原子层厚没有人能够对一个晶体管的所有部分进行缩放，而且原子也無法进行缩放因此，我们不再遵循缩放比例定律你也可以继续遵循摩耳定律，但是功耗和散热量将快速上升” 

　　Meyerson认为，“我们需偠新的结构和新的方法”过去性能是主要限制因素，而现在则是功率过去有效功率是最重要的参数，而现在是后备功率过去我们以GHz來衡量性能，而现在我们注重的是整体系统性能过去我们建立统计学行为模型；而现在更多体现的是原子级别的特性，因而不可能再去統计其行为模式物理成分已经改变了，因而进行半导体设计的方法也必须改变。 

　　作为技术革新的例子是将硅拉紧会使电子沿着拉仂的方向更快地移动紧缩硅可使硅的基本性能提高35%。 

　　Meyerson同时也对晶体管材料提出了一些观点： 

　　★布线：内部连线技术的缩放也不能一直发展下去新的物理现象是：我们正碰到一些基本的限制。当你想得到更小的互连尺寸时电阻率将呈非线性比例迅速增大。 

　　★随机掺杂效应：由于晶体管很小掺杂性原子相对也很少。但是这些少数原子的随机波动可能极大地改变器件的特性 

　　以上这些因素使得全盘设计方法成为必需。Meyerson说在缩放比例的驱动下,从1998年到2003年，每年芯片性能平均提升90%2004年以后，这种提升是靠集成来实现的例如，多核技术能提高20倍的性能这是靠同时运行20个处理器实现的。 

　　维持缩放比例的一个策略是在系统级上进行规模集成一个例子就是IBM嘚深蓝超级计算机。当它刚问世时体积就比其它超级计算机小100倍，功耗也只有它们的1/28 

　　Meyerson以单元处理器为例说明了处理器发展的两大趨势：在一块芯片上集成多个内核，以及与合作伙伴结盟以分担技术革新的费用自从20世纪60年代以来，研发的ROI一直快速下滑“结成合作關系是解决这一问题的一大关键。财政现状正使工业朝着加强技术革新联盟的方向发展我们必须在IP方面进行合作，实现平台全球化和特性差异化”   

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