Lebih Cepat, Lebih Tipis, Lebih Murah: Apakah Hukum Koomey adalah Hukum Moore Baru?

Laptop, ponsel, dan tablet menjadi lebih murah, lebih ramping, lebih bertenaga setiap tahun, sementara masa pakai baterai semakin lama. Pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa ini terjadi dan apakah perangkat dapat terus meningkat selamanya?

Jawaban dari pertanyaan pertama dijelaskan oleh tiga hukum yang ditemukan oleh para peneliti, yang dikenal sebagai Hukum Moore, Penskalaan Dennard, dan Hukum Koomey. Baca terus untuk memahami dampak undang-undang ini pada komputasi dan ke mana mereka mungkin menuntun kita di masa depan.

Apa Hukum Moore?

Jika Anda adalah pembaca MakeUseOf biasa, Anda mungkin mengetahui Hukum Moore yang mistis.

CEO dan salah satu pendiri Intel, Gordon Moore, pertama kali memperkenalkannya pada tahun 1965.

Dia meramalkan bahwa jumlah transistor dalam sebuah chip akan berlipat ganda kira-kira setiap dua tahun dan menjadi antara 20 sampai 30 persen lebih murah untuk dibuat setiap tahun. Prosesor pertama Intel dirilis pada tahun 1971 dengan 2.250 transistor dan luas 12 mm². CPU saat ini menampung ratusan juta transistor per milimeter persegi.

Meskipun dimulai sebagai prediksi, industri juga mengadopsi Hukum Moore sebagai peta jalan. Selama lima dekade, hukum yang dapat diramalkan memungkinkan perusahaan untuk merumuskan strategi jangka panjang, mengetahui bahwa, bahkan jika desain mereka tidak mungkin pada tahap perencanaan, Hukum Moore akan mengirimkan barang pada saat yang tepat.

Ini memiliki efek langsung di banyak area, dari grafik game yang terus meningkat hingga jumlah megapiksel yang membengkak di kamera digital.

Namun, undang-undang tersebut memiliki umur simpan, dan laju kemajuannya melambat. Meskipun pembuat chip terus menemukan cara baru untuk mengatasi batasan chip silikon, Moore sendiri yakin itu tidak akan berfungsi lagi pada akhir dekade ini. Tapi, itu bukan hukum teknologi pertama yang menghilang.

Apa yang Pernah Terjadi dengan Dennard Scaling?

Pada tahun 1974, peneliti IBM Robert Dennard mengamati bahwa, ketika transistor menyusut, penggunaan daya mereka tetap proporsional dengan luasnya.

Penskalaan Dennard, seperti yang diketahui, berarti area transistor berkurang 50 persen setiap 18 bulan, yang mengarah ke peningkatan kecepatan clock sebesar 40 persen, tetapi dengan tingkat konsumsi daya yang sama.

Dengan kata lain, jumlah kalkulasi per watt akan bertambah secara eksponensial tetapi dapat diandalkan, dan transistor akan menjadi lebih cepat, lebih murah, dan menggunakan daya yang lebih sedikit.

Di era penskalaan Dennard, meningkatkan kinerja dulu merupakan proses yang dapat diprediksi untuk pembuat chip. Mereka baru saja menambahkan lebih banyak transistor ke CPU dan meningkatkan frekuensi clock.

Ini juga mudah dipahami oleh konsumen: prosesor yang berjalan pada 3,0 GHz lebih cepat daripada yang berjalan pada 2,0 GHz, dan prosesor terus bertambah cepat. Memang, Peta Jalan Teknologi Internasional untuk Semikonduktor (ITRS) setelah perkiraan clock rate akan tercapai 12GHz pada 2013!

Namun saat ini, prosesor terbaik di pasaran memiliki frekuensi dasar hanya 4.1GHz. Apa yang terjadi?

Akhir dari Dennard Scaling

Kecepatan clock terjebak dalam lumpur sekitar tahun 2004 ketika pengurangan penggunaan daya berhenti mengikuti laju penyusutan transistor.

Transistor menjadi terlalu kecil, dan arus listrik mulai bocor, menyebabkan panas berlebih dan suhu tinggi, menyebabkan kesalahan dan kerusakan peralatan. Itulah salah satu alasan mengapa chip komputer Anda memiliki heat sink. Dennard Scaling telah mencapai batas yang ditentukan oleh hukum fisika.

Lebih Banyak Inti, Lebih Banyak Masalah

Dengan pelanggan dan seluruh industri yang terbiasa dengan peningkatan kecepatan yang berkelanjutan, produsen chip membutuhkan solusi. Jadi, mereka mulai menambahkan core ke prosesor sebagai cara untuk terus meningkatkan performa.

Namun, beberapa inti tidak seefektif sekadar meningkatkan kecepatan jam pada unit inti tunggal. Sebagian besar perangkat lunak tidak dapat memanfaatkan multiprosesing. Caching memori dan konsumsi daya adalah penghambat tambahan.

Perpindahan ke chip multicore juga menandai kedatangan silikon gelap.

Zaman Gelap Silikon

Segera menjadi jelas bahwa jika terlalu banyak inti yang digunakan secara bersamaan, arus listrik dapat bocor, menghidupkan kembali masalah panas berlebih yang membunuh penskalaan Dennard pada chip inti tunggal.

Hasilnya adalah prosesor multi inti yang tidak dapat menggunakan semua intinya sekaligus. Semakin banyak core yang Anda tambahkan, semakin banyak transistor chip yang harus dimatikan atau diperlambat, dalam proses yang dikenal sebagai “silikon gelap”.

Jadi, meskipun Hukum Moore terus membiarkan lebih banyak transistor masuk ke dalam sebuah chip, silikon gelap menggerogoti CPU real estate. Oleh karena itu, menambahkan lebih banyak inti menjadi tidak berguna, karena Anda tidak dapat menggunakan semuanya secara bersamaan.

Mempertahankan Hukum Moore menggunakan banyak inti tampaknya menjadi jalan buntu.

Bagaimana Hukum Moore Bisa Berlanjut

Salah satu perbaikannya adalah dengan meningkatkan multiprocessing perangkat lunak. Java, C ++, dan bahasa lain yang dirancang untuk single core akan digantikan oleh Go, yang lebih baik dalam berjalan secara bersamaan.

Pilihan lainnya adalah meningkatkan penggunaan field-programmable gate arrays (FPGAs), sejenis prosesor yang dapat disesuaikan yang dapat dikonfigurasi ulang untuk tugas tertentu setelah pembelian. Misalnya, satu FPGA dapat dioptimalkan oleh pelanggan untuk menangani video sementara atau dapat secara khusus diadaptasi untuk menjalankan aplikasi kecerdasan buatan.

Membangun transistor dari bahan yang berbeda, seperti graphene, adalah area lain yang sedang diselidiki untuk memeras lebih banyak kehidupan dari prediksi Moore. Dan, di masa mendatang, komputasi kuantum dapat mengubah permainan sama sekali.

Masa Depan Milik Hukum Koomey

Pada tahun 2011, Profesor Jonathan Koomey menunjukkan bahwa efisiensi energi keluaran puncak (efisiensi prosesor yang berjalan pada kecepatan tertinggi) menggemakan lintasan daya pemrosesan yang dijelaskan oleh Hukum Moore.

Hukum Koomey mengamati bahwa, dari binatang tabung vakum tahun 1940-an hingga laptop tahun 1990-an, penghitungan per joule energi meningkat dua kali lipat setiap 1,57 tahun. Dengan kata lain, baterai yang digunakan oleh tugas tertentu berkurang setengahnya setiap 19 bulan, menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk komputasi tertentu turun dengan faktor 100 setiap dekade.

Meskipun penskalaan Hukum Moore dan Dennard sangat penting di dunia desktop dan laptop, cara kami menggunakan prosesor telah berubah begitu banyak sehingga efisiensi energi yang dijanjikan oleh Hukum Koomey mungkin lebih relevan bagi Anda.

Kehidupan komputasi Anda kemungkinan besar terbagi antara banyak perangkat: laptop, ponsel, tablet, dan gadget lain-lain. Di era ini berkembang biak komputasi, masa pakai baterai dan kinerja-per-watt menjadi lebih penting daripada memeras lebih banyak GHz dari prosesor banyak inti kami.

Demikian pula, dengan lebih banyak pemrosesan kami dialihkan ke pusat data komputasi awan besar, implikasi biaya energi dari Hukum Koomey menjadi sangat menarik bagi raksasa teknologi.

Namun, sejak tahun 2000, penggandaan efisiensi energi di seluruh industri yang dijelaskan oleh Hukum Koomey telah melambat karena berakhirnya penskalaan Dennard dan perlambatan Hukum Moore. Hukum Koomey sekarang berlaku setiap 2,6 tahun, dan selama satu dekade, efisiensi energi meningkat dengan faktor hanya 16, bukan 100.

Mungkin terlalu dini untuk mengatakan Hukum Koomey sudah mengikuti Dennard dan Moore hingga matahari terbenam. Pada tahun 2020, AMD melaporkan bahwa efisiensi energi dari prosesor AMD Ryzen 7 4800H naik beberapa faktor 31.7 dibandingkan dengan CPU 2014-nya, memberikan Hukum Koomey dorongan tepat waktu dan substansial.

Terkait: Chip M1 Baru Apple Adalah Pengubah Game: Semua yang Perlu Anda Ketahui

Mendefinisikan Ulang Efisiensi untuk Memperluas Hukum Koomey

Efisiensi daya keluaran puncak hanyalah salah satu cara untuk mengevaluasi efisiensi komputasi dan cara yang mungkin sudah ketinggalan zaman.

Metrik ini lebih masuk akal dalam beberapa dekade terakhir, ketika komputer langka, sumber daya mahal yang cenderung didorong hingga batasnya oleh pengguna dan aplikasi.

Sekarang, sebagian besar prosesor berjalan pada performa puncak hanya untuk sebagian kecil dari hidup mereka, misalnya saat menjalankan video game. Tugas lain, seperti memeriksa pesan atau menjelajahi web, membutuhkan daya yang jauh lebih sedikit. Dengan demikian, efisiensi energi rata-rata menjadi fokus.

Koomey telah menghitung “efisiensi penggunaan biasa” ini dengan membagi jumlah operasi yang dilakukan per tahun dengan total energi yang digunakan dan berpendapat bahwa itu harus menggantikan standar “efisiensi penggunaan puncak” yang digunakan dalam formulasi aslinya.

Meskipun analisis masih akan diterbitkan, antara 2008 dan 2020, efisiensi penggunaan tipikal diharapkan meningkat dua kali lipat setiap 1,5 tahun atau lebih, mengembalikan Hukum Koomey ke tingkat optimal yang terlihat ketika Hukum Moore berada di puncaknya.

Salah satu implikasi dari Hukum Koomey adalah bahwa perangkat akan terus mengecil ukurannya dan menjadi lebih hemat daya. Menyusut — tetapi masih berkecepatan tinggi — prosesor mungkin akan segera berdaya sangat rendah sehingga mereka dapat menarik energinya langsung dari lingkungan, seperti panas latar, cahaya, gerakan, dan sumber lainnya.

Perangkat pemroses yang ada di mana-mana tersebut berpotensi mengantarkan era Internet of Things (IoT) yang sebenarnya dan membuat ponsel cerdas Anda terlihat sama kuno seperti raksasa tabung vakum tahun 1940-an.

Namun, karena para ilmuwan dan insinyur menemukan dan menerapkan semakin banyak teknik baru untuk mengoptimalkan “efisiensi penggunaan biasa,” porsi total penggunaan energi komputer kemungkinan akan turun begitu banyak sehingga pada tingkat penggunaan biasa, hanya keluaran puncak yang akan cukup signifikan untuk diukur.

Penggunaan output puncak akan menjadi tolok ukur untuk analisis efisiensi energi sekali lagi. Dalam skenario ini, Hukum Koomey pada akhirnya akan menghadapi hukum fisika yang sama yang memperlambat Hukum Moore.

Hukum fisika tersebut, yang termasuk hukum kedua termodinamika, berarti Hukum Koomey akan berakhir sekitar tahun 2048.

Komputasi Kuantum Akan Mengubah Segalanya

Kabar baiknya adalah pada saat itu, komputasi kuantum harus berkembang dengan baik, dengan transistor yang didasarkan pada atom tunggal adalah hal yang biasa, dan generasi baru peneliti harus menemukan seluruh rangkaian hukum lain untuk memprediksi masa depan komputasi.

Tentang Penulis