Fungus from Yuggoth (yuggoth_fungus) wrote in ru_transhumans,
Fungus from Yuggoth
yuggoth_fungus
ru_transhumans

Categories:

Закон Мура

Перевод статьи из блога Дэниэла Элтона, аспиранта университета Stony Brook. Статья посвящена объяснению, почему закон Мура работает и в чём его уникальность. В частности, она содержит критику представлений Рэя Курцвейла о том, что по сходному экспоненциальному закону развиваются и другие технологии.

Каждый знает, что такое закон Мура – процессоры становятся дешевле, экспоненциально. Есть множество более точных определений. Оригинальная формулировка Мура была очень точной – она утверждала, что плотность транзисторов для самого дешёвого транизистора удваивалась каждые два года. Через несколько лет он скорректировал время удвоения до каждых 18 месяцев. Лично я предпочитаю формулировку Рэя Курцвейла – вычислительная мощность (измеренная в вычислениях в секунду), которую можно купить за $1000, удваивается примерно каждые два года. Эти две версии почти идентичны, но число вычислений в секунду за $1000 также учитывает, как хорошо транзисторы используются (размещение на схеме) и управляются (тактовая частота).

Большинство считает началом действия закона Мура 1965 год, когда Мур опубликовал свою статью на эту тему, или дату на несколько лет раньше, 1959 год, когда был изобретён плоский кремниевый транзистор. Метод Курцвейла, использующий вычисления в секунду, позволяет нам продвинуться дальше в прошлое в период до изобретения транзистора, к 1900 году, когда появились первые электромеханические калькуляторы.



Закон Мура – особенный

Большинство технологических разработок следуют S-образной кривой – сначала рост медленный, затем он идёт вверх по экспоненте некоторое время, а затем снова сильно замедляется из-за достижения какого-то естественного барьера. Существует долгая история преждевременных предсказаний конца закона Мура, то есть предсказаний момента, когда кривая роста и здесь станет S-образной. Для забавы я поискал в архивах Гугла статьи, провозглашающие, что прекращение действия закона Мура уже за углом:

2000 - “The End of Moore's law?” - MIT Technology Review - “есть хорошие причины думать, что вечеринка может заканчиваться”
2007 – “Moore Sees ‘Moore’s Law’ Dead in a Decade“ExtremeTech
2009 – “Moore’s Law limit hit by 2014?”CNET
2009 – “Researcher says Moore’s Law at end”CNET
2010 – “Life After Moore’s Law”Forbes
2011 –“Death of Moore’s Law Will Cause Economic Crisis”PCWorld
2012 – “Collapse of Moore’s Law ‘in about 10 years’”SlashGear
2012 – “Physicist: Moore’s Law as we know it is on its last legs”Network World
2013 – “Silicon daddy: Moore’s Law about to be repealed, but don’t blame physics”The Register

The Economist сделал хороший график некоторых предсказаний:



Поскольку закон Мура действует уже так долго, широко распостранено мнение, что он особенный. Даже в ранний период действия закона Мура многие технологи отмечали быстрые улучшения в технологии транзисторов. Дуглас Энгельбарт, который позднее получил признание за изобретение компьютерной мыши, написал статью, обсуждавшую этот тренд, в 1959 году, и сделал несколько выступлений на эту тему, на как минимум одном из которых присутствовал сам Мур. Регулярность роста согласно закону Мура также удивительна. Многие технологические метрики показывают непредсказуемые скачки, по мере того как новые технологические изобретения “разрушают” старые.

G.D. Hutchinson использует автомобильную промышленность в качестве примера типичного роста по S-образной кривой. Автомобильная индустрия переживала сокращение стоимости, похожее на закон Мура, в 1904-1915 годах, когда стоимость машин быстро падала благодаря инновациям в производстве. Разработка Фордом конвейера вызвала сокращение цены с $20000 до $1000 (в долларах 1900 года) и затем с $1000 до $300. Однако, сокращение цен ниже $250 оказалось затруднительным. Даже в наши дни, с высоко автоматизированными конвейерами, производители машин не смогли снизить цены. Рост по закону Мура продолжался на значительно большее число порядков. Как указывает The Economist, “Если бы машина, использующая 15 литров бензина на 100 километров и стоящая $15000, улучшила свои характеристики подобным образом (как при законе Мура), она бы потребляла менее двух десятых милилитра бензина на 100 километров и стоила четверть цента”.

Технооптимизм Курцвейла

Футурист Рэй Курцвйл любит говорить об экспоненциальном или двойном экспоненциальном прогрессе технологий, ведущем к грядущей технологической сингулярности. Он вычертил экспоненциальные или двойные экспоненциальные прогрессии в примерно 30 отраслях, некоторые из них можно видеть в его статье “The Law of Accelerating Returns”. На мой взгляд, большая часть этих экспонент являются производными закона Мура – их можно связать с экспоненциальным снижением цены вычислительной силы, ставшим возможным благодаря уменьшению размеров транзистора.

В той степени, в какой технологии можно связать с улучшениями в сфере IT, они показывают плавный экспоненциальный рост. Например, рост интернета и сокращение стоимости RAM прямо связаны с IT, в то время как “производительность сканирования мозга” связана с IT лишь частично. Следовательно, рост размера интернета следует плавной экспоненциальной кривой, в то время как технологии сканирования мозга хотя и улучшилось на много порядков в последние десятилетия, делают это более случайным образом. Технология секвенирования ДНК, измеряемая стоимостью секвенирования человеческого генома, похоже, улучшается строго экспоненциальным образом и без значительной связи с законом Мура. Однако многие технологии, которые Курцвейл называет “экспоненциальными”, существуют только порядка десяти лет и, возможно, переживают лишь временный взрыв роста. Подобно стоимости автомобиля, эти кривые могут выровняться в следующие несколько лет в знакомую S-образную кривую. В своём выступлении на конференции TED, Курцвейл заявил, что кривая роста разрешения 3D печати следует экспоненциальному закону, и делает вывод, что нанотехнология станет доступна в следующем десятилетии, поскольку кривая может быть экстраполирована вплоть до размера атома. Я нахожу это очень сомнительным. Наиболее сомнительно для меня утверждение Курцвейла, что “рост продолжительности человеческой жизни является одним из этих экспоненциальных трендов”. Представленный Курцвейлом график роста продолжительности жизни человека с течением времени нарисован не в логарифмической шкале, и потому вводит в заблужение! Я скоро ещё вернусь к этой проблеме.

Курцвейл также указывает, что экспоненциальный рост имеет место в экономике в целом. Общий размер экономики США рос примерно на 3-4% в год в течение последнего столетия:



В современном мире, “развитые” (индустриализированные) страны растут примерно на 2-4%, и “развивающиеся” (индустриализирующиеся) страны на 4-8%. Между прочим, количество производимой энергии в экономике США также стабильно растёт примерно на 3% в год. Рост популяции в США, для справки, составляет 0.7%. Заметьте, что все эти экспоненциальные тренды растут гораздо медленнее, чем в законе Мура.

Технопессимизм Тиля

Я думаю, что предсказания другого технофутуриста, Питера Тиля, противоположны предсказаниям Курцвейла. Тиль полагает что, за исключением информационных технологий (технологий, развивающихся по закону Мура), технологический прогресс замедлился или заглох. Это делает Тиля противником превалирующей точки зрения, согласно которой мы живём в эру технологического прогресса. Тиль выразил свою позицию в часто цитируемой статье “Конец будущего” (“The End of the Future”, 2011). Согласно Тилю, “люди достигли Луны в июле 1969, и Вудсток начался три недели спустя. Оглядываясь назад, мы видим, что это в то время хиппи захватили страну, и настоящая культурная война вокруг прогресса была проиграна”. Не рассматривая политические взгляды Тиля, его базовые аргументы представляются обоснованными. Оценивая “прогресс”, мы легко ослепляемся удивительными технологиями, которые стали возможны благодаря закону Мура – персональными компьютерами, интернетом, смартфонами. Из-за этого мы не замечаем, что в большинстве других областей мы до сих пор используем те же самые технологии, что и в 1969 году. Другими словами, разработки в мире “битов” ослепляют нас насчёт нехватки разработок в мире “атомов”. Машины до сих пор используют двигатели внутреннего сгорания, самолёты до сих пор летают с максимальной скоростью в несколько сотен миль в час. Наши кухонные приспособления во многом те же самые, что и в 1969 году. Будущее, о котором человечество мечтало в 1969 году, по большей части не осуществилось. У нас нет говорящих компьютеров, питательных таблеток, дешёвой солнечной энергии, личных роботов-компаньонов, летающих машин, баз на луне, сверхзвуковых пассажирских авиалиний, орбитальных самолётов, космических лифтов, термоядерной энергии, двигателей на антивеществе или вакуумных поездов. Вместо этого мы имеем интернет, смартфоны, Facebook, Snapchat и Twitter. По словам Тиля, “мы хотели летающие машины, а вместо этого получили 140 символов”.

Закон Рума

Как я упомянул, я полагаю, что самое сомнительное утверждение Курцвейла – это что ожидаемая продолжительность жизни также растёт экспоненциально. Эмпирически, график зависимости ожидаемой продолжительности жизни от времени, похоже, следует S-образной кривой. С более общей точки зрения, за исключением технологии секвенирования ДНК и некоторых других специальных случаев, большая часть технологий здравоохранения, видимо, развивается линейно. В почти всех областях здравоохранения, стоимость различных процедур и терапий растёт, а не падает, как мы бы ожидали согласно Курцвейлу. Это частично объясняется чрезмерным регулированием, недостатком рыночных механизмов и раздутой системой страхования. В то же время, стоимость разработки новых лекарств и процедур тоже драматически растёт. Терапии против рака медленно становятся лучше, но в то же время терапии становятся сложнее и сложнее, требуя сложные коктейли лекарств и генетические тесты. По мере того, как люди живут дольше, стоимость поддержания их здоровья драматически растёт, поскольку всё больше и больше проблем пожилого возраста нужно решать.

Эти экспоненциально растущие издержки описывает закон Рума (Eroom's law, "Мур" написан в обратном порядке): “число новых одобренных лекарств на миллиард долларов, потраченный на исследования и разработки, уменьшается вдвое примерно каждые 9 лет с 1950 года”.


(Иллюстрация закона Рума из Scannell et al. “Diagnosing the decline in pharmaceutical R&D efficiency”, Nature Reviews Drug Discovery 11, 191-200 (March 2012))

Я думаю, это должно заставить задуматься технооптимистов вроде Курцвейла. Да, больше денег инвестируется в здравоохранение, чем в любой другой период человеческой истории, и да, экспоненциальный экономический рост и экспоненциальные технологии позволяют это, однако стоимость исследований и разработок также растёт экспоненциально. Эти два фактора компенсируют друг друга, давая нам субэкспоненциальное улучшение в метриках здоровья. Потому, я не ожидаю, что ожидаемая продолжительность жизни будет следовать экспоненциальной кривой, если только не изменится какая-то внутренняя динамика, что позволит выделить намного больше ресурсов на проблемы продления жизни, или некая меняющая парадигму технология приведёт к новой рыночной динамике. Кажется, сейчас мы понимаем, что биология становится очень сложна, как только все низко висящие фрукты сорваны.

В чём причина закона Мура?

Всё это вызывает вопрос – что делает закон Мура столь совершенно экспоненциальным? Большинство материалов на тему закона Мура лишь описывают происходящее. Однако есть несколько популярных мнений, которые предлагают причину. Одно из них – это что закон Мура является “самосбывающимся пророчеством”. Индустрия полупроводников ставит свои цели в соответствии с законом Мура, и инвестирует в их достижение столько, сколько потребуется, в предположении, что в противном случае запутанные рыночные силы оставят их позади. Поступая так, индустрия добивается исполнения закона Мура точно по расписанию. Но это не объясняет, как руководство может продолжать экспоненциальное развитие, не встретив никакой преграды.

Пытаясь понять, почему закон Мура работает так долго, легко потеряться, изучая множество технологических преград в технологии кремниевых интегральных схем, которые нужно было преодолеть. У меня нет ни времени, ни экспертных знаний, чтобы пойти по этому пути. Множество сложных технологических инноваций, каждая из которых вроде бы не очень важна, совместно позволили закону Мура продолжать действие. Эти разработки фокусировались, главным образом, на миниатюризации транзисторов. Одна из причин сосредоточения на размере транзистора – это что стоимость производства кремниевой пластины быстро растёт с её размером. Поэтому трудно улучшить чипы (без повышения стомости!) путём просто увеличения их размера, это бы означало меньше чипов на кремниевой пластине и более высокую цену чипа. Ключевой момент – это способность производить больше транзисторов на меньшей площади. Это требует больше капиталовложений для разработки и изготовления более сложного литографического оборудования, но эти одноразовые вложения могут быть скомпенсированы благодаря способности производить больше чипов на кремниевой пластине. Другая причина, по которой производители стремятся втиснуть больше транзисторов на всё меньшую и меньшую площадь – это что энергопотребление пропорционально площади чипа. Энергопотребление может возрастать лишь до определённого уровня, после чего чип расплавится. Тактовая частота увеличивает энергопотребление, так что сокращение энергопотребления благодаря меньшей площади чипа позволяет увеличить тактовую частоту. Физические аргументы масштабирования поддерживают похожую динамику – меньшие по размеру компоненты могут работать на более высоких частотах.

Другой фактор, стоящий за законом Мура – это что улучшенные чипы облегчают дизайн будущих чипов. Человек не может сделать оптимальную разметку чипа с миллиардом транзисторов, это должно делаться с помощью очень сложного программного обеспечения для проектирования, которое требует достаточно мощных компьютеров для своего запуска. Эта динамика была особенно важна в ранний период действия закона Мура, когда проектирование чипов переходило от чисто ручного способа (литографические панели раскрашивались вручную) к автоматизации всё более сложным программным обеспечением.

Хотя все эти только что упомянутых мною три фактора (самосбывающееся пророчество, экономика кремниевой пластины, компьютеризированный дизайн) играли важную роль в действии закона Мура, я полагаю, что за всем этим стоит важный урок нашей экономики. Экспоненциальные тренды обычно заканчиваются переходом к S-образной кривой не из-за физических, но из-за экономических ограничений. Настоящие физические ограничения, такие как скорость света, редко достигаются до того, как экономические ограничения останавливают прогресс. Как уже было сказано, инвестиции в технологию производства могут сократить цену товаров. Однако, количество капитала, которое должно быть инвестировано, быстро растёт по мере того, как лёгкие улучшения эффективности осуществляются и необходимо браться за более сложные улучшения.

В случае полупроводниковой технологии, этот принцип называется законом Рока (Rock's law): “Стоимость завода по производству полупроводниковых чипов удваивается каждые четыре года”.

В случае с автомобилями, “лёгкой” технологией снижения стоимости был конвейер, за ней последовали более трудные вещи, такие как промышленные роботы. Можно продолжать инвестировать в технологию сокращения стоимости до тех пор, пока доход (прибыль) растёт в том же отношении, что и затраты. В некоторый момент, однако, ожидаемое увеличение прибыли не компенсирует ресурсы, требующиеся для дальнейшего сокращения стоимости. В автомобильной промышленности это случилось, когда практически каждый человек, который достиг возраста получения прав и хотел купить машину, мог купить её. Когда каждый уже имеет машину, единственный способ продать больше машин – ждать, пока на рынке не появятся новые покупатели или пока старые машины не сломаются.

Ненасыщаемый спрос на транзисторы

Что интересно и уникально в IT – это ненасыщаемый рыночный спрос на информационные технологии. Люди желают каждые несколько лет заменять имеющиеся компьютеры на вдвое более мощные по той же цене, и они действительно делали это регулярно на протяжении последних двух десятилетий. Период “оборота” для персональных компьютеров и смартфонов в последнее десятилетие был только немного дольше, чем время удвоения согласно закону Мура (2-4 года). Более того, люди постоянно находят для компьютеров новые применения, и поэтому различные отрасли покупают всё больше и больше компьютеров в расчёте на одного работника. По мере того, как экономика США опирается всё больше на информацию, а не на производство, ИТ становится всё более и более важным. Более того, количество “больших данных” (“big data”), которое можно использовать, кажется безграничным. Чем больше объём данных, тем больше транзисторов нужно на его обработку. Также есть тренд “программ, пожирающих мир” - вещи, которые традиционно выполнялись людьми, постоянно заменяются или улучшаются всё более сложным программным обеспечением.

Самы рынки основаны на потоке информации в форме цен. Система цен эффективно поставляет информацию о рыночных условиях. Как показал Ф.А. Хайек, система цен является необходимой – она сообщает важную информацию, которая не может быть собрана никаким иным путём. Лучшие информационные технологии ведут к лучшей обработке информации, что приводит к более здоровым рынкам, что, в свою очередь, позволяет больше средств инвестировать обратно в IT. Ненасытный рыночный спрос на всё большее число транзисторов является основным драйвером закона Мура.
Tags: Курцвейл, закон Мура, критика, технологии
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 1 comment