مرگ قانون مور؛ آیا پیشرفت کامپیوترها متوقف می‌شود؟

آیا تا به حال این سوال برایتان پیش آمده که چرا کامپیوترها طی چند دهه‌ی گذشته با چنین سرعت فزاینده‌ای پیشرفت کرده‌اند. بازی‌های ویدیویی، اپلیکیشن‌های موبایل و پیش‌بینی‌های دقیق وضعیت آب و هوا نمودهایی از امکاناتی هستند که زندگی ما را متحول کرده‌اند. همه‌ی این‌ها طی پنج دهه‌ی گذشته، به کمک تراشه‌های قدرتمند کامپیوتری ممکن شده‌اند.

وظیفه‌ی اصلی پردازش‌های کامپیوتری بر دوش تراشه‌هایی است که از ترانزیستور تشکیل شده‌اند. ظرفیت این تراشه‌ها سال به سال بیشتر می‌شود چون ترانزیستورها کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شوند. «گوردن مور» (Gordon Moore)، بنیان‌گذار شرکت اینتل، این روند را مشاهده و پیش‌بینی کرد که هر سال با کوچک‌تر شدن ترانزیستور، ظرفیت تراشه برای جای دادن آنها دو برابر می‌شود. او در این باره مقاله‌ای نوشت و پیش‌بینی کرد که حداقل تا یک دهه‌ی دیگر سرعت پیشرفت همین‌ قدر خواهد بود. در سال ۱۹۷۵ او در پیش‌بینی‌اش بازبینی کرد و گفت دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها در تراشه هر دو سال یک بار اتفاق می‌افتد. اینگونه بود که قانون مور نوشته شد. اما حالا ظاهرا این قانون به پایان عمر خود رسیده.

طی چند دهه‌ی اخیر ما توانسته‌ایم ترانزیستورها را کوچک‌تر و کوچک‌تر کنیم و تعداد بیشتری از آنها را در تراشه‌های جای دهیم. این باعث شده که توان پردازشی کامپیوترها بیشتر و بیشتر شود. با افزایش تراکم ترانزیستورها طراحان توانسته‌اند کاربردهای نوینی برای تراشه‌ها خلق کنند و در زمینه‌های مختلف نوآوری داشته باشند. اما به نظر می‌رسد سرعت پیش‌روی در نوآوری‌ها و تکنولوژی‌های جدید کندتر و کندتر می‌شود. به همین دلیل، در چند سال آینده شرکت‌های فعال در عرصه‌ی تکنولوژی باید بیشتر نسبت به گذشته بیشتر تلاش کنند تا همچنان بتوانند به نوآوری ادامه دهند.

یکی از استادیاران دانشگاه میشیگان به نام «توماس ونیش» (Thomas Wenisch) می‌گوید: «ما باید بپرسیم که آیا این مسئله در زمینه‌ی دستگاه‌های موبایل، مراکز داده و ماشین‌های خودران مشکل ایجاد می‌کند؟ من فکر می‌کنم بله، اما در مقیاس‌های زمانی متفاوت.»

صنعت تراشه با پیش‌قدمی اینتل پیش‌بینی مور را زنده نگه داشته است. شرکت‌های فعال در ساخت تراشه‌های کامپیوتری هر سال با اضافه شدن ظرفیت تراشه و در نتیجه تعداد ترانزیستورها توانسته‌اند کارهای بسیاری انجام دهند. اما اینتل عرضه‌ی نسل بعدی تکنولوژی ترانزیستورهایش را که به اندازه‌ی ۱۰ نانومتر هستند، تا ۲۰۱۷ به عقب انداخته است. این شرکت همچنین تصمیم گرفته که فاصله‌ی زمانی بین نسل‌های آینده را افزایش دهد. به این ترتیب، قانون مور که شرکت‌های مهم صنعت کامپیوتر از آن تبعیت می‌کردند به تدریج کنار گذاشته می‌شود.  مسوولان اینتل عنوان کرده‌اند که ترانزیستورهای سیلیکونی آنها تنها تا پنج سال دیگر می‌توانند کوچک‌تر شوند.

گوشی‌های هوشمندی که در جیب‌های ما هستند، احتمالا دیرتر از هر نوع دستگاه کامپیوتری دیگری تحت تاثیر این موضوع قرار خواهند گرفت. تراشه‌ی دستگاه‌های موبایل را شرکت‌هایی غیر از اینتل می‌سازند و اکثر آنها در تکنولوژی ترانزیستور کمی عقب‌تر هستند. علاوه بر این، پردازنده‌های موبایل از تکنیک‌های طراحی خاصی که در پردازنده‌ی‌های قدرتمندتر به کار می‌روند، به طور کامل بهره‌مند نیستند. ونیش می‌گوید: «احتمالا تنها یک یا دو نسل دیگر در صنعت موبایل پیش رویمان باشد.»

هرچند بسیاری از کارهای مفیدی که یک دستگاه موبایل می‌تواند انجام دهد، به قدرت پایگاه‌های داده‌ای میلیارد دلاری وابسته است. پایان قانون مور می‌تواند ضربه‌ی محکمی به این پایگاه‌های داده‌ای وارد کند. شرکت‌هایی مثل گوگل و مایکروسافت با اشتیاق فراوان نسل جدید پیشرفته‌ترین تراشه‌ها را به کار می‌گیرند؛ تراشه‌هایی که ترانزیستورهای بیشتری را در خود جا داده و متراکم‌تر شده‌اند.

ونیش می‌گوید شرکت‌هایی مثل اینتل (که بر بازار تراشه‌های سرورها سلطه دارند) و بزرگ‌ترین مشتریان آنها باید خلاق‌تر شوند و راه‌هایی برای حل این مشکل پیدا کنند. راه‌های دیگری هم برای افزایش قدرت پردازش وجود دارد، مثلا اینکه شرکت‌ها می‌توانند بیشتر تلاش کنند و طراحی بهتری برای تراشه‌ها ارایه دهند یا اینکه برای الگوریتم‌های مهم تراشه‌های مخصوصی بسازند.

به عنوان مثال پیشرفت در طراحی تکنیک یادگیری ماشینی که به آن «یادگیری عمیق» (deep learning) هم می‌گویند، به محاسبات جبر وابسته است، به همین دلیل به شدت به تراشه‌هایی نیاز داریم که متناسب با محاسبات جبر طراحی شده باشند. انویدیا (شرکتی که تراشه‌های گرافیکی می‌سازد) و چندین استارت‌آپ دیگر، از هم‌اکنون در این مسیر گام برداشته‌اند.

مایکروسافت و اینتل هم به دنبال این هستند که بعضی از کدها را روی «تراشه‌های تغییرپذیر» (reconfigurable chips) اجرا کنند تا بازدهی آنها بیشتر شود. این تراشه‌ها که به آنها FPGA می‌گویند سخت‌افزارشان داینامیک است و متناسب با برنامه‌نویسی که روی آن انجام می‌شود، تغییر می‌کنند. در حالت ایده‌آل، یک پردازنده‌ی تغییرپذیر می‌تواند به یک پردازنده‌ی ویدیویی، گرافیکی یا پردازنده‌ی مرکزی تبدیل شود و بتواند برنامه‌ها را با بالاترین سرعت اجرا کند. اینتل تقریبا ۱۷ میلیارد دلار سرمایه‌گذاری کرده تا «آلترا» (Altera)، مهم‌ترین شرکت تولیدکننده‌ی تراشه‌های FPGA را تصاحب کند.

معاون «آزمایشگاه ملی لارنس برکلی» به نام «هورست سیمون» می‌گوید پیامدهای ناشی از روزهای پایانی قانون مور از همین حالا بر قدرتمندترین ماشین‌های محاسباتی تاثیر گذاشته‌اند. قوی‌ترین ابرکامپیوترهای جهان دیگر به سرعت گذشته بهتر نمی‌شوند.

سیمون می‌گوید: «در سه سال گذشته ما شاهد نوعی رکود بوده‌ایم.» این برای پروژه‌های تحقیقاتی که نیازمند ابرکامپیوترها هستند، مثل درک تغییر اقلیم، ساخت مواد جدید برای باتری‌ها و ابررسانا‌ها و بهبود طراحی داروها گران تمام می‌شود.

سیمون می‌گوید به بن‌بست خوردن در افزایش تراکم ترانزیستورها موج جدیدی را در شرکت‌ها ایجاد می‌کند و آن این است که طراحان ابرکامپیوترها و مراکز داده تلاش می‌کنند تا معماری اساسی کامپیوترها را از نو طراحی کنند. کنار گذاشتن طراحی‌های خاصی که به دهه‌ی ۴۰ میلادی بازمی‌گردند می‌تواند دستاوردهای مهمی را در زمینه‌ی بازدهی و عملکرد آنها به همراه بیاورد. اما برای اینکه بتوانیم از این امتیازات بهره‌مند شویم باید در طراحی بسیاری از نرم‌افزارها تجدیدنظر کنیم. علاوه بر این، برنامه‌نویسان هم باید عادت‌های فکری‌شان را تغییر دهند.

«نیل تامسون» (Neil Thompson)، یک استادیار از دانشگاه MIT می‌گوید مسئله‌ی اصلی این است که پس از پایان قانون مور، روش‌های ابتکاری جایگزینی که شرکت‌های سازنده‌ی تراشه‌ی کامپیوتری انتخاب می‌کنند باید بتواند به همان اندازه‌ تاثیرگذار و سودمند باشد. او می‌گوید: «ما می‌دانیم که روش‌های دیگر اهمیت دارند، اما سوال اینجاست که آیا می‌توانند در مقیاسی مشابه قانون مور موثر باشند؟»

یکی از دلایلی که شاید روش‌های دیگر نتوانند در مقیاس بزرگی به رشد تکنولوژی کمک کنند این است که شرکت‌ها باید به شکل‌های جدید و پیچیده‌ای با هم همکاری کنند و لزوما همه‌ی شرکت‌ها در یک مسیر با یکدیگر همسو نیستند. چون با قانون مور، مسیر و هدف مشترکی وجود داشت که محصولات صنعت و برنامه‌های تحقیق و توسعه‌‌ی شرکت‌ها را با هم همگام می‌کرد.

تامسون می‌گوید: «یکی از بزرگ‌ترین فواید قانون مور این است که مثل یک دستگاه هماهنگ‌سازی عمل می‌کند. مثلا، من می‌دانم که در دو سال آینده می‌توانم روی میزان مشخصی از توان پردازشی حساب باز کنم و بنابراین می‌توانم یک کاربرد را برای آن ظرفیت طراحی کنم. اگر شما اینتل باشید می‌دانید که مشتریان‌تان برای تراشه‌ی جدید شما برنامه‌ریزی کرده‌اند و اینکه بازار خوبی در انتظار محصول جدیدتان خواهد بود.» اما اگر هارمونی مشترکی بین شرکت‌ها وجود نداشته باشد، کمتر شاهد پیشرفت‌هایی خواهیم بود که بتواند برای همه نوع شرکت سودمند باشند.