Dennard scaling: hoe nog snellere CPUs bouwen?

Zoals gezegd in de vorige post in deze reeks over de toekomst van de computer, knalde de sector van de CPUs rond 2004 tegen een muur. Intel had gigantisch geïnvesteerd in hun nieuwe architectuur, Tejas (desktop) en Jayhawk (server) maar schrapte ze. Wat was er gebeurd?

Het einde van de gratis performance upgrades bij elke nieuwe chip.
Dennard scaling stopt: enkel het aantal transistoren schaalt nog verder.

Wanneer we plots dubbel zo veel transistoren op dezelfde oppervlakte kunnen zetten, dan lijkt het logisch dat er dubbel zo veel stroom verbruikt wordt. Nee, zei Robert H. Dennard: omdat die transistoren kleiner zijn, blijft de vermogensdensiteit identiek. Met andere woorden: per vierkante millimeter verbruiken we even veel. De extra transistoren zijn dus effectief gratis qua verbruik. Dat is Dennard scaling en het is ook wat de Wet van Moore zijn kracht gaf.

Gaf, want Dennard scaling stopte dus in 2004. Extremetech beschrijft in detail wat er toen juist gebeurd is. Vanaf 90nm en kleiner bleek het onvermijdelijk dat er stroom van de gate in het onderliggende substraat lekt. Wanneer dat gebeurt, warmt de chip op. Zet genoeg “lekke” transistoren bij mekaar en de chip oververhit. De continue revolutie valt stil. Voor 2004 ging alles bliksemsnel: de klok van een 1GHz P3 gaat 125x sneller dan een 8086, maar verbruikt maar 18x zo veel. Tussen 1994 en 1998 ging de kloksnelheid met 300% naar boven. Maar tussen 2007 en 2011 was dat maar 33%. De muur was hard en zeer stevig.

Gedaan met single core, het multicore-tijdperk begint in 2004.
Gedaan met single core, het multicore-tijdperk begint in 2004.

De gevolgen worden op de ongeëvenaard diepgaande stijl van DrDobbs Magazine uitgelegd in het artikel “The Free Lunch Is Over“. Wat doen we met meer transistoren als die gewoon opsmoren? We proberen ze zo weinig mogelijk te gebruiken. Plots werd het hip van meer dan één processor op een chip te zetten. Ideaal! De software was er niet klaar voor, dus bleven heel wat transistoren ongebruikt. Los van alle sarcasme, betekende het einde van Dennard scaling ook het einde van het rechtlijnige chipdesign waarbij single core processoren complexer en zo krachtiger werden. Sinds toen is de complexiteit van processoren veel diverser van aard. Maar dat is voor de volgende blogpost.