Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2015
Andrew “bunnie” Huang
IEEE Spectrum
Когда транзисторы перестанут уменьшаться, настанет время открытого аппаратного обеспечения
Компаний, производящих открытое аппаратное обеспечение, очень мало, и находятся они далеко друг от друга. По крайней мере, они, если определить их обычными понятиями, являются предприятиями, предоставляющими документацию и разрешения, достаточные для того, чтобы другие могли воспроизводить, модифицировать, улучшать и даже создавать свои собственные версии продаваемых ими устройств. И хотя в области открытой аппаратуры в последнее время были достигнуты успехи, в частности, увеличилось число компаний, соблюдающих принципы открытости платформ, и даже была создана Ассоциация производителей открытого аппаратного обеспечения, все же это остается нишевой отраслью.
 |
| Рисунок: Serge Bloch |
Вы можете подумать, что это просто из-за того, что подобные компании создаются и управляются идеалистами, не имеющими предпринимательского чутья. Но это не так! Сдерживает движение открытого аппаратного обеспечения вовсе не отсутствие деловой хватки, а быстрое развитие электронных технологий.
Причины этого трудноуловимы, но как я объясню ниже, быстрое развитие электронных технологий, по сути, благоприятствует большим «закрытым» компаниям, а не небольшим командам или отдельным новаторам, которые больше всего выигрывают от работы с открытыми системами. По крайней мере, так было до сих пор. Но на подходе изменения, которые, как я ожидаю, склонят чашу весов в другую сторону.
Соответствующие сдвиги принципиально привязаны к темпам микроэлектронной миниатюризации, которые на протяжении десятилетий хорошо описывались законом Гордона Мура. Так что, кажется уместным, что на 50-й годовщине его основополагающей публикации на эту тему мы делаем паузу, чтобы обдумать, какую существенную пользу надвигающийся конец закона Мура или, по крайней мере, его замедление может принести многим производителям и потребителям. Но прежде, чем я представлю свой нестандартный прогноз, я должен рассказать молодым читателям о том, как мы попали туда, где сейчас находимся.
Вначале была электровакуумная лампа. И почти все аппаратные средства на ее основе сегодня мы назвали бы «открытыми». Ранние потребительские электронные продукты, такие как радио и телевизоры, часто поставлялись с руководствами, которые содержали полные схемы, список запасных частей, а также подробные инструкции по обслуживанию. Мало что изменилось и с появлением первого транзистора.
Действительно, в 1980-х годах вместе с компьютерами часто предлагались принципиальные схемы плат. Apple II, например, поставлялся со справочным руководством, включавшим в себя полную схему основной платы компьютера – артефакт, который сильно повлиял на меня, побудив продолжить карьеру в сфере разработки электроники.
Современным руководствам пользователя не хватает такой глубины. Наиболее сложная схема в недавнем руководстве Mac Pro инструктирует покупателя о том, как сидеть за компьютером: «нижняя часть спины опирается на спинку стула», «бедра слегка наклонены», «плечи расслаблены» и так далее.
Что же случилось? Электроника стала такой сложной в обслуживании или улучшении?
Не совсем. На самом деле совершенствование электронных продуктов стало слишком простым, особенно для системных интеграторов. В течение многих десятилетий, они, в сущности, предпочитали сидеть в ожидании новых микросхем, чтобы улучшить свои печатные платы, нежели в поте лица работать над совершенствованием имеющегося продукта. Например, на протяжении 1990-х годов и в начале нового тысячелетия программистам было рекомендовано отказаться от оптимизируемого вручную языка ассемблера в пользу изобилующих возможностями языков более высокого уровня. Выход на новый уровень параметров происходил если и не в день релиза, то достаточно скоро с приходом следующего поколения процессоров.
Можно отчетливо увидеть этот эффект, если построить график зависимости «качества» электронных устройств за эти годы. Выберите практически любой показатель – производительность, набор функций, что угодно – и постройте свой график таким образом, чтобы отображаемые параметры удваивались каждые 18 месяцев в соответствии с законом Мура. Но делайте это на графике с линейной вертикальной осью. Большинство диаграмм, изображающих Закон Мура, используют логарифмическую вертикальную шкалу, которая выравнивает резко восходящий тренд кривой в более приглядную прямую линию.
Замедлим закон Мура: тех усилий, которые в состоянии предпринять небольшая компания [черная линия, 75% в год], недостаточно, чтобы конкурировать с законом Мура [красная линия], если время удвоения составляет всего лишь 18 месяцев [изображение слева]. Но время удвоения в 36 месяцев [изображение справа] предоставляет широкие возможности [площадь, выделенная желтым].
Теперь сравним резко восходящую кривую закона Мура с тем, что может предложить группа разработчиков малого предприятия, усердно дорабатывающая прошивку или совершенствующая способ соединения памяти с другими компонентами, чтобы улучшить свой последний продукт. Предположим, что такая команда может достичь постоянных, но значительных темпов прогресса. Скажем, первый год такой работы улучшает качественные показатели продукта на 75 процентов относительно начального уровня, и такой темп роста улучшений сохраняется год за годом. Как бы выглядели результаты, если бы эта команда разработчиков просто сидела и ждала волшебства закона Мура?
Не очень хорошо. Действительно, если вы нарисуете обе линии, сравнивая линейное улучшение с экспоненциальной кривой закона Мура, то увидите лишь небольшую полоску возможностей для усердной работы малого производителя над улучшением своего изделия. И эта возможность исчезает в течение двух лет после запуска продукта, потому что на тот момент появляются более совершенные микросхемы, требующие от компании создания на их основе абсолютно нового продукта, чтобы не проиграть в конкурентной борьбе.
Две кривые, которые я только что описал, высвечивают центральную проблему, с которой небольшие новаторы сталкивались в течение последних нескольких десятилетий. Почти повсеместно им было выгоднее сидеть и ждать, чем изобретать что-то новое. В частности, если на понимание и внесение изменений в проект, которые удвоят его качество, требуется два года, вам и вашим клиентам будет лучше ничего не делать и через два года обновить продукт последними доступными микросхемами. Попытка выиграть в гонке с законом Мура была сизифовым трудом для инженеров многих малых предприятий.
Действительно, экспоненциальный рост закона Мура работает против них, и в то же время благоволит крупным предприятиям, имеющим ресурсы для работы над тремя или четырьмя поколениями продуктов одновременно. Но даже для больших компаний это непросто.
Гонка, вынуждающая производителей идти в ногу с темпами закона Мура, имеет несколько пагубных последствий. Наиболее существенным из них является то, что небольшой выигрыш (возможно, в несколько месяцев), получаемый за счет сохранения прав на разработку и вынуждающий конкурентов перепроектировать свои продукты, дает значительное преимущество, которое производители, естественно, боятся упустить. Их нежелание отказаться даже от малейшего превосходства в конкурентной борьбе помогает объяснить, почему они редко делятся схемами, кодом и другими техническими деталями, относящимися к их продукту.
К счастью, закон Мура замедляется, а с ним изменяется и только что описанная мною динамика.
Прежде чем я поясню, как образом, позвольте мне защитить мое утверждение, что закон Мура замедляется. Многие аналитики и комментаторы в последнее время предупреждали, что эра экспоненциального роста в микроэлектронике подходит к концу. Но на самом деле мне не нужно обосновывать свою аргументацию их прогнозами. Уменьшение размера электронных компонентов, в частности транзисторов, бесспорно, повлекло за собой рост токов утечки и тепловыделения, что, в свою очередь, в последние годы замедлило устойчивое повышение тактовой частоты. Рассмотрим, например, тактовые частоты различных процессоров Intel на момент их представления на рынке. Показав вначале значительный рост, эти частоты практически перестали расти примерно десять лет назад.
С тех пор изготовители микропроцессоров для повышения производительности стали использовать многоядерные технологии, несмотря на трудности реализации такой стратегии. Но инженеры весьма ограничены в своем выборе. Фундаментальные физические ограничения не позволяют увеличивать тактовые частоты, поэтому единственный способ использовать большее число транзисторов для соблюдения закона Мура – создавать больше ядер.
Плотность транзисторов продолжает экспоненциальный рост, как и предсказывал закон Мура, но темп замедляется. В 1990 году число транзисторов удваивалось каждые 18 месяцев, сегодня это происходит каждые 24 месяца или более. Вскоре темп повышения плотности транзисторов сократится до 36 месяцев за поколение и в конечном итоге достигнет предела.
Когда это будет? Если коротко, то на самом деле никто не знает. Но в одном из исследований показано, что рост остановится по достижении длины затвора порядка 5 нм, где-то между 2020 и 2030 годами. Пять нанометров – примерное расстояние между 10 атомами кремния, так что даже если высказанное предположение ошибочно, ошибка эта не очень велика.
 |
| Рисунок: Serge Bloch |
Последствия будут ощущаться очень сильно. Когда-нибудь в обозримом будущем вы не сможете купить на следующий год компьютер, который будет лучше того, за которым работаете сейчас. Следующий купленный вами флэш-накопитель будет стоить столько же и хранить то же количество бит, сколько накопитель, который вы заменяете. И вы перестанете надеяться на то, что следующий ваш телефон будет более мощным и будет делать больше потрясающих вещей, чем нынешний.
Вместо того чтобы ожидать, что через несколько лет после приобретения электронной штуковины вы просто выкинете ее, станет разумнее хранить ее, пока она будет работать.
При таком положении дел вам, наверно, захочется приобретать вещи, которые, прежде всего, сделаны более красиво. Идея о «ноутбуке – фамильной реликвии» сегодня может звучать нелепо, но когда-нибудь мы действительно сможем воспринимать наши компьютеры как семейные раритеты, которые можно передать нашим детям, так же, как некоторые люди сегодня передают наручные часы или антикварную мебель.
Такое замедление закона Мура предвещает светлое будущее для многих предприятий малого бизнеса, а также для практики открытого аппаратного обеспечения. Чтобы понять, почему это так, давайте вернемся к сделанному мною ранее сравнению между экспоненциальным ростом закона Мура и линейным ростом развития технологий. Но на этот раз пусть закон Мура пойдет по другому сценарию – время удвоения увеличим до 36 месяцев вместо 18 месяцев.
Нарисовав эти две линии, вы обнаружите, что линейный рост может продолжаться более восьми лет, прежде чем его обгонит кривая 36-месячного закона Мура. И примерно на втором или третьем году после выпуска продукта будет точка, когда компания имела бы значительно лучший продукт, если бы постепенно оптимизировала его конструкцию вместо того, чтобы ждать, когда заработает закон Мура. Иными словами, есть идеальное рыночное окно для получения прибыли от инновационных улучшений, сделанных в темпе, который в состоянии выдержать инженеры малых предприятий.
Еще одним преимуществом, которое можно ожидать вследствие замедления закона Мура, является повышение уровня стандартизации платформ. Десять лет назад было бы нелепо создавать стандартный планшет или мобильный телефон с взаимозаменяемыми компонентами – лежащие в их основе технологии развивалась слишком быстро. Но теперь это стало разумным предложением.
Создание стабильных открытых платформ с конкурентоспособными характеристиками будет доступно малому бизнесу. Такие компании по-прежнему могут оставлять свои разработки закрытыми, но при этом они будут вынуждены создавать собственную инфраструктуру для поддержки разработки и изготовления своих продуктов. Многие из таких компаний поймут, что бессмысленно тратят уйму времени и энергии на разработку общей аппаратной части, тогда как это же время можно было бы использовать на улучшение отдельных элементов проектов, чтобы сделать свои продукты оригинальными. Поэтому все больше и больше компаний будут выбирать работу с открытым аппаратным обеспечением, так же, как многие предприятия уже перешли на открытое программное обеспечение.
Еще одно изменение, которое я предвижу, заключается в том, что программируемые вентильные матрицы (ПЛИС) могут составить достойную конкуренцию процессорам с жесткой структурой. Одна из причин очень проста: поскольку транзисторы сократятся до масштабов атомов, дефекты, возникающие в процессе производства, станут более распространенными. В случае с процессором такие дефекты могут разрушить все устройство. Но в случае с ПЛИС вы можете обойти мелкие дефекты, изменив физическое расположение ваших цепей.
Другая причина ожидать светлое будущее для ПЛИС вытекает из относительной сложности конфигурирования их цепей. Такая задача, безусловно, требует знания языка описания аппаратуры, например, Verilog. Хотя она и напоминает обычное программирование, как правило, это намного сложнее. Но единственная реальная альтернатива предполагает программирование многоядерных процессоров с целью получения большей производительности за счет обеспечиваемого ими массового параллелизма, и этот процесс, итак уже трудный, обещает сталь еще труднее по мере увеличения количества ядер.
Таким образом, в будущем программирование многоядерных процессоров и конфигурирование ПЛИС могут достичь паритета с точки зрения затрачиваемых усилий. Если это произойдет, то еще больше устройств, безусловно, будет создано на основе ПЛИС. И когда компании с открытым аппаратным обеспечением перейдут на использование ПЛИС вместо процессоров, они также поделятся своими файлами описания аппаратуры. Другие же потом будут иметь возможность свободно переконфигурировать схему вплоть до отдельных вентилей в ПЛИС. Таким образом, движение в направлении открытого аппаратного обеспечения может проникнуть в процесс разработки микроэлектроники очень глубоко.
Еще одно долгожданное изменение, приближение которого я вижу – это рост культуры ремонта, поскольку технология перестает быть одноразовой и становится более постоянной. Замена изношенных частей компьютера через пять лет с даты их приобретения не будет казаться настолько глупой, когда новая деталь будет иметь практически те же характеристики и цену, что и старая. Это изменение в подходе сохрани-или-выброси порождает спрос на схемы и запасные части, которые, в свою очередь, будут способствовать росту экосистемы и бизнеса открытого аппаратного обеспечения.
Замедление закона Мура уже проявляет себя на тех рынках, которые не особенно чувствительны к производительности. Рассмотрим, например, микроконтроллерную платформу Arduino.
Предъявляемые пользователями Arduino требования к производительности (для обучения, физических вычислений и простых приложений управления) существенно не выросли, и, таким образом, платформа может быть очень стабильна. Действительно, во многих платах Arduino используются практически одни и те же аппаратные средства, начиная с 2005 года. Эта стабильность, в свою очередь, позволила Arduino пустить глубокие корни в процветающую базу потребителей, которые пользуются открытыми стандартами для реализации аппаратных расширений.
Другим примером является китайский феномен шанцзай (shanzhai). Этим словом, часто переводимым как «пираты», чаще всего называют малые предприятия, которые, основываясь на общих внутри своего круга проектах, создают простые мобильные телефоны. Рынок этих телефонов в основном нечувствителен к абсолютным уровням технических характеристик, а значит, и к совершенствованиям технологии процессоров. Таким образом, шанцзай получает возможность без ущерба для конкурентоспособности своих конечных продуктов на протяжении многих лет использовать, по сути, один и тот же набор микросхем. Такая стабильность, в свою очередь, дает этим небольшим и проворным новаторам время, чтобы основательно изучить платформу и эволюционно совершенствовать один и тот же продукт. Вы можете обвинить их в нарушении законов о защите интеллектуальной собственности, но вам следует признать, что при ограниченном бюджете они часто достигают удивительных творческих результатов.
Я думаю, поле расчищено для расцвета и многих других видов экосистем открытого аппаратного обеспечения. Неизбежное замедление закона Мура может принести проблемы сегодняшним технологическим гигантам, но оно также создаст возможности для неоперившихся предприятий вырасти со своими открытыми платформами в нечто, что потенциально может стать очень большим.
Лично я с нетерпением жду изменений, в том числе возвращения инженерного ремесла, где элегантность, оптимизация и баланс преобладают над достижением скорости и функциональности. Даже если действие закона Мура закончится скоро или внезапно, инженеры-электронщики и потребители должны научиться перестать беспокоиться и готовиться любить то, что будет в магазине.
