Ada Lovelace och Moores lag
I en svunnen tid var det vanligt vid en ny generation av processorer att prestandan ökade drastiskt. Betydande ökningar i prestanda per klockcykel (IPC) och klockfrekvens gjorde det möjligt att om inte dubblera prestandan i alla fall komma i närheten. Det är långtifrån fallet idag, i synnerhet inte sett till enkeltrådad prestanda. Svårigheter att få ut högre IPC ur mikroarkitekturen x86 och att skruva upp klockfrekvenser ytterligare gör att utvecklingen så sakteligen bromsat in.
Annorlunda är det på grafikkortssidan, där rejält parallelliserade laster inom spel och på senare år generella beräkningar gör det enklare att skala upp prestandan. Nya tillverkningstekniker, möjligheten att rymma fler transistorer på en given area och fler kärnor borgar för framgång. När AMD och Nvidia tar klivet över till nya tillverkningstekniker är därför oftast betydande förbättringar att vänta.
Det är även fallet när Nvidia lanserar arkitekturen ”Ada Lovelace”, namngiven efter grevinnan som ofta beskrivs som historiens första programmerare. Det här är den åttonde arkitekturen i raden att låna namn från kända vetenskapsmän, efter i inbördes ordning Ampere, Turing, Maxwell, Kepler, Fermi och Tesla. En rolig anekdot är att detta är första gången Nvidia även valt att inkludera förnamnet på sagda historiska person, vilket förvisso går att diskutera, då hon egentligen hette Augusta Ada King, grevinna av Lovelace.
Med arkitekturen Ada Lovelace tar Nvidia klivet över till TSMC:s 4-nanometersteknik, som är en smärre förbättring av bolagets 5 nanometer med 6 procent högre transistordensitet. Det här är den mest moderna tillverkningstekniken som finns tillgänglig idag och intressant är att Nvidia här gör något så ovanligt som att ta två kliv ned på tillverkningstrappan.
Föregående arkitektur Ampere i Geforce RTX 3000-serien tillverkas av Samsung på en teknik kallad 8 nanometer, vilken är en optimerad variant av bolagets 10 nanometer men med 10 procent högre transistordensitet. Hade Nvidia följt traditionen skulle nästa steg varit 7 nanometer eller ett derivat likt 6 nanometer, men med Ada Lovelace kliver de alltså över detta. Resultatet är att Nvidia enligt sina officiella siffror inte enbart dubblerat utan nästan tredubblat transistordensiteten jämfört med Ampere. Nvidia har med andra ord haft en rejäl transistorbudget att leka med när de utvecklat Ada Lovelace med tillhörande grafikkort i nya Geforce RTX 4000-serien.
Den som har koll på grafikkortsscenen vet att AMD:s arkitektur RDNA 2 i Radeon RX 6000-serien tillverkas på 7 nanometer från TSMC, medan vissa kretsar för bärbara använder en finslipad variant kallad 6 nanometer. Med andra ord har Nvidia med Geforce RTX 3000-serien innehaft ledartröjan trots att de legat en nod efter AMD, som i mitten av december tar klivet ned till 5 nanometer. Med detta i åtanke kan det tänkas att Nvidia med Ada Lovelace utökar sitt försprång, men osvuret är bäst. Båda aktörer har en historia av att överraska.
”Moores lag är död”?
När arkitekturen Ada Lovelace och de tillhörande grafikkorten Geforce RTX 4090, RTX 4080 16 GB och RTX 4080 12 GB tillkännagavs riktades kritik mot bolagets prissättning. Det motiverar bolagets VD Jen-hsun Huang med att ”Moores lag är död” och att kretsar tillverkade på mer avancerade tekniker helt enkelt är dyrare. Stämmer det? Ja. Vad är då Moores Lag?
A 12-inch [silicon] wafer is a lot more expensive today than it was yesterday, and it’s not a little bit more expensive, it is a ton more expensive. Moore’s Law’s dead.
And the ability for Moore’s Law to deliver twice the performance at the same cost, or at the samt performance, half the cost, every year and a half, is over. It’s completely over, and so the idea that a chip is going to go down in cost over time, unfortunately, is a story of the past.
– Jensen Huang, VD på Nvidia
Gordon Moore, en av grundarna till Intel och numera ordförande emeritus på bolaget, skrev för drygt ett halvt sekel sedan, år 1965, en avhandling om hur nya tillverkningstekniker möjliggör kretsar som är både billigare och kraftfullare. I dess enklaste form kan Moores lag i ursprunglig form beskrivas som att antalet transistorer som kostnadseffektivt kan tillverkas dubbleras varje år.
Moores lag är således ingen naturlag, utan en observation som gjordes av den idag 93-årige Gordon Moore. ”Lagen” har dock fyllt en viktig funktion. Den blev ett riktmärke som halvledarvärlden förhållit sig till och ständigt jagat, framgångsrikt, i decennier. Nya tillverkningstekniker kunde komma något tidigare och ibland något senare, men generellt sett togs de i bruk vartannat år och dubblerade antalet transistorer som rymdes på en given ytarea. Samtidigt var kostnaden per kiselskiva (eng. wafer) ungefär densamma varje gång.
Med andra ord halverades kostnaden per transistor vid ett nodskifte. Antingen kunde en närmast identisk krets tillverkas till halverat pris, eller så kunde en dubbelt så avancerad tillverkas till samma pris. Det var detta som gjorde att en ny generations grafikkort tillverkad på en ny tillverkningsteknik i grova drag fick dubblerad prestanda till samma pris som föregående generation. Att så inte längre är fallet har att göra med att Moores lag stött på patrull i form av en faktisk fysikalisk naturlag.
Mark Bohr, tidigare forskare på Intel, beskrev det för många år sedan som att ”vi håller på att få slut på atomer”. Med dagens avancerade kretsar går det räkna antalet atomer på bredden hos enskilda komponenter i en transistor. Utan att gå in för mycket på djupet är en konsekvens att kretsar tillverkade på mer avancerade tekniker helt enkelt blir dyrare att tillverka. Kravet på precision hos litografiska verktyg har gått upp rejält, de designregler som Nvidias ingenjörer har att förhålla sig till för att ens kunna tillverka en krets har växt från några enstaka A4-papper till hundratals, om inte tusentals. Utvecklingskostnaderna har skjutit i höjd.
Utöver ovan är en stor del av problematiken att tiden att tillverka kretsar drar ut på tiden. För varje lager som litografiskt etsas behövs längre exponering. Tidigare har det talats om att processen från spegelblank kiselplatta till en färdig krets tar cirka tre månader, något som blivit allt längre. Inom kort inleder TSMC produktion på 3 nanometer och här är ledtiden för en wafer runt ett halvår. De verktyg för hundratals miljoner dollar som används behöver således användas dubbelt så lång tid för kretsar tillverkade på en mer avancerad teknik.
Exakt kostnad för tillverkning är affärshemligheter, men ett halverat pris per transistor är de facto ett minne blott. Det har talats om att priset per transistor kan tänkas bli konstant kring 5 nanometer. Någon gång efter det ligger en prisökning per transistor i korten. Med andra ord skulle en lika avancerad krets med samma antal transistor tillverkad på en mer modern teknik bli dyrare – tvärtemot tidigare sanning som drivit utvecklingen framåt. Företag kommer få betala en hög premie för att kunna tillverka de mest avancerade kretsarna med de bästa transistorerna.
För att återgå till Nvidia är det ingen lögn att de nya Ada Lovelace-kretsarna är dyrare att tillverka än Ampere. Med tanke på det stora klivet som tas från Samsungs 8 nanometer till TSMC:s 4 nanometer är det inte orimligt att leka med tanken om en dubblering i pris per ytarea, om inte mer. Kostnaden per tillverkat grafikkort i Geforce RTX 4000-serien är därför högst troligt mycket dyrare än RTX 3000-serien.
Ovan handlar inte om att ta Nvidia i försvar, men Jen-hsun Huangs påstående att ”Moores lag är död” är inte utan fog. På senare år har dock lagen tolkats om på nytt och omdefinierats, inte minst av Intel själva, men det är en separat diskussion och leder lätt till hårklyveri. Med det sagt har Nvidia som marknadsledare goda marginaler och skulle självfallet kunna introducera sin grafikkort billigare. Men så länge ingen (AMD) sätter press finns ingen anledning för ett företag vars plikt är att maximera vinsten för investerare att göra detta.
