Moore Yasası ve sonrası: Endişelenmeli mi yoksa heyecanlanmalı mıyız?

Teknoloji konusunda şimdiye kadar birçok tahminde bulunulmuştur fakat herhalde hiçbiri Gordon Moore’unki kadar isabetli olmamıştır. Kendisi bile buna şaşırmıştı. Moore, 1965’te Electronics dergisinde yayımlanan yazısında mikroişlemci performansının yaklaşık her 24 ayda iki katına çıkacağını tahmin etmiş, performans artışı yaşanırken transistör birim fiyatının da düşeceğini öngörmüştü.^[1]Moore, G. (1965) Cramming more components into integrated circuits, Electronics, Volume 38, Number 8, https://hasler.ece.gatech.edu/Published_papers/Technology_overview/gordon_moore_1965_article.pdf  Moore’un bu gözlemi yıllar içinde neredeyse hiç sapmadan geçerliliğini koruduğundan Moore Yasası olarak anılıyor.

İşlemci performansındaki baş döndürücü bu eğilim yıllar boyunca elektronik endüstrisinin yol haritasını oluşturdu, sadece bilişim dünyasının değil insanlığın ilerlemesine çok büyük katkılar sağladı. Bilgisayarlar sayesinde insan genomu sıralandı, yeni malzemeler bulundu ve resimleri insanlardan daha hassas bir şekilde tanıyan programlar geliştirildi. Zamanla ucuzlayan işlemciler sayesinde bilgisayarlara erişim hızlı bir şekilde arttı, bilgisayarlar her eve ve her cebe girdiler.

İşlemcilerin yapıtaşı olan transistörler yıllar boyunca bilimdeki ve üretim teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde çok ama çok küçüldüler. 1970’lerde bir transistörün boyutu 10000 nanometre iken bugünlerde 7 nanometre transistörler yapmak mümkün.^[2]Khare, M., How to squeeze billions of transistors into a computer chip, https://www.ibm.com/thought-leadership/innovation-explanations/mukesh-khare-on-smaller-transistors-analytics Tabii ki transistörlerin küçülmesi sayesinde birim alana daha fazla transistor sığdırabilir hale geldik. Böylelikle çip üzerindeki transistör sayısı 1970’lerde 2 binlerdeyken günümüzde 30 milyara kadar ulaştı. Transistörlerin daha da küçülmesi demek onların bir atom büyüklüğüne ulaşması demektir ki bu da işlemcileri kararlı olmaktan çıkarır. Bu da Moore Yasası’nda sona yaklaştığımızın en somut habercisidir. Belki bilim insanları yeni malzemeler geliştirerek buna bir çare bulacaklar ama yakın gelecekte herhangi bir çözüm görünmüyor.

Moore Yasası’na benzer bir öngörü 1974’te Robert Dennard tarafından yapılmıştı. Dennard Scaling (Dennard Yasası) adı verilen bu yasa transistor sayısı artarken işlemcinin birim alanda ve birim zamanda harcayacağı enerjinin sabit kalacağını öngörüyordu.^[4]Dennard’s Law, https://semiengineering.com/knowledge_centers/standards-laws/laws/dennards-law/ Böylelikle transistörler küçüldükçe, zamanla daha enerji verimli hale geldiler. Fakat transistör sayısının çok artması ile işlemciler çok fazla ısınmaya başladılar. O kadar çok ısı yaydılar ki 2000’lerde üretilen çipler elektrikli ocakların yüzey sıcaklığına ulaştı, bilgisayar üzerinde yumurta pişirilebilecek hale geldik. Transistör sayısını arttırarak performans arttırmaya devam edemeyeceğimiz açıktı.

Bu nedenle maalesef 2012’lerde Dennard Yasası, Moore Yasası’ndan önce geçerliliğini yitirdi. 2005’te işlemci frekansını arttırmak yerine işlemcileri çok çekirdekli yapmaya başladık. Çok çekirdekli işlemciler birden fazla CPU^[5]Mikroişlemcinin her türlü bellek ve giriş çıkış arabiriminden arıtılmış sadece merkezi işlem biriminden oluşan en yalın hali (terimler.org) barındırarak Moore Yasası’nın bir süre daha devam etmesini sağladı. Paraya kıydığınız takdirde günümüzde 256 çekirdekli bir iş istasyonunu ofisinize almanız mümkün.

2012’de çekilmiş aşağıdaki videoda bir mikroişlemcinin ayrıntılarını mikron ölçeğine kadar  görebiliyoruz.

Moore Yasası’nın sonu

Ancak işlemci üretiminin doğası gereği olan fiziksel sınırları ve artan enerji tüketimi nedeniyle Moore Yasası da geçerliliğini yitirmeye başladı. 2005’teki bir söyleşisinde, Gordon Moore öngörüsünün kısa bir zaman içinde geçerliğini yitireceğini belirtmişti. 2005’te çok çekirdekli işlemcilerin ortaya çıkması Moore Yasası’nın devam etmesini sağlamış olsa da entegre devrelerdeki kritik boyutlar atom ölçeğine ulaşıyor. Bu da ciddi performans ve enerji problemlerine neden oluyor. Örneğin, 2015’ten beri her yıl mikroişlemci performansı sadece %3 arttı. Dolayısıyla 2025 gibi bir yakın gelecekte Moore Yasası’nın sona ermesi yani mikroişlemci performansındaki artışının tamamen durması bekleniyor.

Günlük hayatımız, tüketici elektroniği, veri merkezleri ve yüksek performanslı bilgi işlem için hesaplama performansının ucuza ve sürekli bir şekilde artmasına mutlak surette bağlı. Son 50 yılda Moore Yasası’nın öngörülebilir ve güvenilir eğilimi inanılmaz yeniliklerin ortaya çıkmasını ve insanlık için son derece üretken bir dönem yaşanmasını sağladı. Dolayısıyla işlemci hızındaki artışın durması hatta yavaşlaması sadece bilgisayar biliminde durağan bir döneme girilmesine değil teknolojinin dokunduğu tüm alanların etkilenmesi demek.

Moore Yasası’nın sona yaklaşması bilgi-işlem camiasını alternatif donanımları araştırmaya ve geliştirmeye teşvik etti. Bu alternatiflerden birincisi özelleşmiş FPGA’ler (Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri), yapay zekâ hızlandırıcıları, grafik kart tabanlı hızlandırıcılar gibi jenerik olmayan, alana özel çok çeşitli işlemcilerdi. İkinci bir alternatif ise daha egzotik olan, geleneksel bilgisayarlardan oldukça farklı kuantum, nöromorfik (nöro-biyolojik donanım mimarisi) gibi hesaplama yapabilen teknolojiler.  Yakın gelecekte birinci alternatifi yaygın olarak görmek daha mümkün olacak. Hâli hazırda birçok donanım hızlandırıcıları piyasada bulunuyor. Ama daha sonraları birinciye ek olarak ikinci alternatifi de görebileceğiz.

Donanımdaki her değişikliğin yazılımda da bir maliyeti var. Örneğin, tek işlemciyi kullanmak için ardışık programlama öğrenmemiz yeterliyken, çok çekirdekli sistemlerden faydalanmak için paralel programlamayı öğrenmemiz, eş zamanlı bellek erişim hatalarına dikkat etmemiz ve birçok yazılım kütüphanelerini yeniden tasarlamamız gerekti. Özellikle Moore Yasası’nın sona ermesiyle donanımdaki hareketlilik, yazılımcılar için kabus demek. Çok çekirdekli işlemcilere geçiş sağlayarak yazılımlarımızı birden fazla çekirdek kullanacak hale getirmeye çalışırken şimdi yeni yazılım problemleri ortaya çıkıyor.  Çok çekirdekli işlemcilerden daha karmaşık, programlaması daha zor, alıştığımız sistemlerden çok farklı işlemciler ile karşı karşıya kalacağız.

Programlamaya yaklaşımımızda köklü bir değişiklik olmadığı sürece, bu sistemleri büyük ölçüde kullanamama riski doğacak. Biz yazılımcılara düşen görev ise donanım teknolojilerindeki değişiklikleri yakından takip ederek değişen donanımdan en yüksek verimi alabilen yazılımları en kısa sürede geliştirmektir. Bunun için yeni derleyiciler, programlama teknikleri, işletim sistemleri ve uygulamaların geliştirilmesi gerekir. Bu değişiklikler kimisi için endişe verici olurken, kimisi için de heyecan verici. Ben ve araştırma ekibim gayet memnunuz. Ne de olsa biz yazılımcılara yeni araştırma konuları doğuyor!

Didem Unat
Koç Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, BAGEP 2019
Parallel and Multicore Computing Lab

Bu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.