حيث لا يستطيع الأجهزة الذهاب

قدم هامنج ثلاثة حدود فيزيائية تقيد مدى سرعة تشغيل الأجهزة في النهاية. لم تكن هذه تحديات هندسية ستتغلب عليها الإبداعية — كانت قوانين الفيزياء.

الحد 1: حجم الجزيء

لا يمكن للمكونات أن تتقلص إلى ما دون الأبعاد الذرية. مدخل ترانزستور بعرض 10 ذرات: يهيمن النفق الكمومي وينقطع الترانزستور عن التبديل الموثوق. بحلول 1993 قدّر هامنج أن النزول إلى ما دون ~100,000 ذرة مسافة بين الأجهزة المترابطة (تقريباً 3 بيكوثانية من وقت السفر الضوئي) كان يمثل حداً فيزيائياً حقيقياً.

الحد 2: سرعة الضوء

تنتشر الإشارات بأقصى سرعة c = 3×10⁸ م/ث في الفراغ (أقل في السلك، تقريباً 2×10⁸ م/ث). دورة ساعة 1 جيجاهرتز هي 1 نانوثانية؛ في 1 نانوثانية، يسافر الضوء 30 سم. رقاقة يجب أن ترسل إشارة عبر 15 سم وتستقبل إجابة خلال دورة ساعة واحدة تعمل بالقرب من حد سرعة الضوء.

مع زيادة سرعات الساعة، يجب أن تتقلص أبعاد الرقاقة للحفاظ على وقت الرحلة ذهاباً وإياباً للإشارة أقل من دورة ساعة واحدة.

الحد 3: تبديد الحرارة

المزيد من المكونات لكل وحدة مساحة + التبديل الأسرع = المزيد من الطاقة لكل وحدة مساحة = المزيد من الحرارة. يجب أن تتبدد الحرارة وإلا ستذوب المكونات. بحلول 1993 كانت الفولتات التشغيلية تنخفض نحو 2-3V لتقليل طاقة التبديل. كانت طبقات الماس كموصلات حرارة قيد التحقيق. كانت الحوسبة القابلة للعكس (الخالية من الخسائر الديناميكية الحرارية) موجودة فقط نظرياً.

تشرح هذه الحدود الثلاثة مجتمعة سبب اقتراب مكاسب سرعة المعالج الفردي من التشبع بحلول التسعينات والسبب في نمو الاهتمام بالبنى المتوازية.

تطبيق حد سرعة الضوء

تعمل وحدة المعالجة المركزية بـ 3 جيجاهرتز. دورة ساعة واحدة = 1/3 نانوثانية ≈ 0.333 نانوثانية. سرعة الإشارة في النحاس: ~2/3 c ≈ 2×10⁸ م/ث.

الخبراء الذين أخطأوا بشكل فظيع

لاحظ هامنج أحد أشهر حالات فشل التنبؤات في تاريخ التكنولوجيا: قدّر الخبراء في أواخر الأربعينيات أن العالم سيحتاج إلى ثلاثة إلى خمسة أجهزة كمبيوتر على الأكثر. قال توم واتسون من IBM ربما اثنين.

بحلول 1993، كان هناك ملايين أجهزة الكمبيوتر قيد التشغيل.

لماذا فشل الخبراء

استقرأ الخبراء من حالات الاستخدام الحالية: الحساب العلمي في المختبرات الوطنية. لم يتوقعوا الرؤية المنتج المكافئة: لن تفعل أجهزة الكمبيوتر ما يفعله البشر بالفعل، أسرع. ستمكّن أجهزة الكمبيوتر فئات عمل بالكامل جديدة لم تكن موجودة من قبل.

نمط الفشل: الخبراء في التكنولوجيا الناضجة هم الأكثر ثقة بشأن حدودها والأكثر احتمالاً أن يكونوا مخطئين حول تطبيقاتها المستقبلية. تعطيهم خبرتهم نماذج دقيقة للحاضر؛ لا تعطيهم نماذج لما سيصبح ممكناً.

البنى المتوازية

اقتربت سرعة المعالج الفردي من التشبع بحلول التسعينات. رد الصناعة: وحدات حسابية متعددة، خطوط أنابيب، هرميات ذاكرة تخزين مؤقت، وآلات متوازية ضخمة. بحلول 1993 لم تكن هناك بنية متوازية واحدة سائدة — العديد من التصاميم المتنافسة مع مقايضات مختلفة ونماذج برمجة مختلفة. لاحظ هامنج هذا التجزؤ كمشكلة: بدون معيار، جهود البرمجة تنقسم على أنظمة غير متوافقة.

لماذا يتنبأ الخبراء بشكل خاطئ

عامل هامنج توقع 3-5 أجهزة كمبيوتر ليس كفضول بل كدرس عن حدود المعرفة الخبيرة. يصمم الخبراء الحاضر جيداً؛ يفشلون في التطبيقات التي لم تكن موجودة بعد.

بيانات لوس ألاموس ومعادلة النمو

استشهد هامنج برسم بياني جمعته المختبر الوطني لوس ألاموس (LANL) يتتبع سرعة أسرع جهاز كمبيوتر في السوق في كل نقطة زمنية. كانت البيانات مناسبة لمعادلة أسية: السرعة تقريباً تتضاعف كل 18 شهراً — لاحقاً شهيرة كقانون مور لعدد الترانزستور.

معادلة LANL: السرعة(t) = السرعة₀ × 10^(bt)، حيث b ≈ 0.09 لكل سنة (تضاعف تقريباً كل 3.3 سنوات في العمليات في الثانية، مختلف عن تضاعف عدد الترانزستور).

استخدم هامنج هذا لإثارة نقطة حول الاستقراء: الأسي لا يمكن أن يستمر إلى الأبد. الحدود الفيزيائية الثلاثة تحدد حداً أقصى. متى يضرب الأسي الحد الأقصى؟ هذا الانتقال يعلم نهاية حقبة المعالج الفردي.

بحلول 1993 كانت الصناعة بالفعل تقترب من هذا الحد الأقصى، مما أدى إلى الاهتمام بالبنى المتوازية وحيل خط الأنابيب وهرميات الذاكرة المؤقتة — جميع الخطوات الصغيرة نحو التوازي بدلاً من التنفيذ ذي الخيط الفردي الأسرع.