Какими будут компьютеры через 15 лет?
Строим прогнозы, во что превратятся ПК через полтора десятилетия
Год назад мы рассказывали, какими могут стать видеоигры будущего. Но ни одна игра не возможна без компьютера, на котором ее запустят. Ну или приставки, фактически являющейся вариантом того же ПК. Так что сегодня мы поговорим про компьютеры будущего. И сделаем это вместе с «Росатом», которой 1 декабря 2022 года исполнилось 15 лет. За эти полтора десятилетия в России наступила новая эра развития атомной промышленности, которая спровоцировала создание новых технологий, новых объектов. И такой же период мы решили выбрать, чтобы заглянуть вперед.
Процессоры
За последние 15 лет процессоры сильно изменились, но какие-то аспекты остались теми же. Одноядерная производительность все еще иногда важна. Максимальные турбо-частоты тоже выросли, но не сильно — на протяжении 11 лет рекорд держал AMD FX-8150 с частотой 8,43 ГГц на жидком азоте, пока в этом году его не победил Intel Core i9-13900K, опередив всего на 383 МГц.
Однако прогресс не стоит на месте. Три основных тренда в процессорах — чиплеты, концепция big.LITTLE и появление конкурентов у x86.
Появление чиплетов (маленькие процессоры, составляющие один большой) было практически неизбежно, потому что увеличивать размер кристалла процессора бесконечно — очень дорогое удовольствие. При таком подходе стоимость поднимается в геометрической прогрессии к размеру, потому что существенно растет вероятность выпуска дефектных процессоров.
AMD перевела свои процессоры на чиплеты еще в 2017 году, Intel собирается догонять с архитектурой Meteor Lake. Однако через 15 лет мы можем ожидать под десяток чиплетов и сопроцессоров, микроконтроллеров и прочей электроники напрямую внутри того, что мы сейчас называем «процессор». В игровых консолях и продукции Apple уже можно встретить что-то подобное — целые системы-на-кристалле с мощной встроенной видеокартой и общей интегрированной оперативной памятью. Такой подход позволяет создавать экстремально компактные и экономичные компьютеры и консоли, в том числе — портативные.
Параллельно моду набирает концепция разделения ядер на высокопроизводительные и экономичные. Это позволяет более рационально расходовать заряд телефона, планшета, ноутбука, портативной консоли, когда полная мощь устройства не нужна. Однако Intel с процессорами 12-ой и 13-ой серии показала, что даже в играх такая конфигурация может быть чрезвычайно успешной. Не исключено, что в будущем big.LITTLE начнут сочетать с чиплетами, например, полностью отключать их с высоким энергопотреблением, а при необходимости, наоборот, разгонять их на полную.
Однако уже через несколько лет процессоры упрутся в ограничение по максимальному количеству ядер. Windows и большинство программ не очень хорошо работают с устройствами, у которых больше 64 потоков (т.е. больше 32 ядер при двукратной одновременной многопоточности современных ЦП). ОС разделяет такие процессоры на несколько виртуальных или NUMA-узлов. Это необходимо из-за того, что потоки/ядра могут мешать друг другу, одновременно обращаясь к одной и той же ячейке памяти. Ресурсоемкий профессиональный софт иногда умеет работать с NUMA-узлами, но игры и абсолютное большинство программ — нет. Поэтому, чтобы процессоры будущего смогли пользоваться всеми ядрами, разработчикам придется знатно потрудиться над своим софтом.
По той же причине обычные процессоры для домашних компьютеров не используют трехкратную одновременную мультипоточность. Некоторые серверные умеют задействовать на одном ядре сразу три потока. Из-за перечисленных выше проблем это не имеет особого смысла, но если софт научится пользоваться большим количеством задач, то количество потоков любого процессора может вырасти в буквально на треть.
Отметим, что все это при желании решаемо. Буквально 15 лет назад даже двуядерные процессоры многим казались в диковинку. Например, Crytek программировали движок первой Crysis таким образом, чтобы при максимальных настройках игра запустилась только на компьютерах будущего, какими их видели в студии. Но разработчики ошиблись, сделав ставку на рост частоты одного ядра: в итоге Crysis продолжала тормозить на максималках даже годы спустя. А при создании ремастера игры создатели потратили уйму времени, прежде чем смогли внедрить сносную поддержку многопоточности.
Но зачем нужна производительность процессора в играх? Для высоких фреймрейтов. Экраны в 1000 Гц уже давно не дают покоя инженерам и хардкорным геймерам — ведь именно такая частота позволит практически полностью избавиться от артефактов размывания в движении, которые присущи жидкокристаллическим экранам и, в меньше степени, OLED. Однако сложно не только разработать подобный монитор, но и добиться соответствующего фреймрейта даже в топовых сборках. Под это придется адаптировать существующие движки, а основная работа по отрисовке столь большого количества кадров в секунду ляжет именно на процессор.
Трассировка лучей, искусственный интеллект, физика, анимации — все это нагружает именно ЦП, вместе с координацией всех систем движка, драйверов, графического интерфейса и операционной системы. С появлением GeForce RTX 4090 мы уже сейчас наблюдаем, как именно процессоры не дают видеокартам раскрыться на полную. Их разработчикам придется серьезно поднажать, чтобы угнаться за графическими адаптерами в гонке за заветными 1000 FPS.
Видеокарты
Через 15 лет графические ускорители будут работать с совершенно другими данными. Главный тренд — умный рендеринг, зачатки которого мы видим сейчас. Нейросеть и матричные уравнения достраивают изображение в низком разрешении до высокого в DLSS 2 и XeSS. DLSS 3.0 генерирует целые кадры, фактически удваивая фреймрейт.
Разработчики обсуждают открепление фреймрейта камеры от фреймрейта 3D-сцены — камера всегда движется плавно, а 3D-сцена просто проецируется с искажениями. В 30 FPS искажения ощутимы, но терпимы, в 60 FPS — почти незаметны. Инженеры и программисты будут придумывать новые методы, чтобы видеокарты освобождали все больше и больше ресурсов от рендера лишних пикселей или даже кадров.
И эти ресурсы пойдут на улучшение качества графики. Уже сейчас мы семимильными шагами идем к рендерингу при помощи трассировки лучей света. Это самый реалистичный метод проекции и расчета 3D-сцены на плоском экране, который обширно используют в кино и высокобюджетных сериалах, но до игр он только-только добирается с Quake II RTX, Minecraft RTX и Portal with RTX. Современные топовые видеокарты еле-еле справляются с даже с этими старыми и очень простыми играми, но NVIDIA каждые два года удваивает производительность трассировки лучей, поэтому, если темпы сохранятся, через 15 лет мы можем ожидать прирост больше, чем в 100 раз.
Это не значит, что Quake II RTX обязательно будет работать в 6000 FPS, но это мощности, которые пойдут на модели, текстуры, шейдеры, их потоковую декомпрессию, аппаратное ускорение физики и наверняка что-то еще. Например, на видеокартах можно рассчитывать реалистичный звук. NVIDIA уже делала такое для своих VR-игр: ведь по сути движение звуковых волн можно симулировать при помощи достаточно простого броска лучей. Многие игры делают это на процессоре, но в теории ничто не мешает использовать уже готовое специализированное железо внутри видеокарт для более реалистичного звука.
В достижении этого помогут чиплеты. Однако, если разделение центрального процессора на несколько чипов — сложная задача, она в разы сложнее для видеокарты. Если процессор не успевает вовремя получить данные из кэша или разные чиплеты принимают их с разной скоростью, то это приводит к ощутимым, но не фатальным падениям частоты кадров. Если же такое происходит на видеокарте, то последствия гораздо более ощутимы в играх.
Именно микростаттеринг стал одной из причин, почему разработчики отказались от технологий, позволявших устанавливать две видеокарты в один ПК, — AMD Crossfirex и NVIDIA SLI. Эти крошечные подвисания незаметны при обычном анализе производительности, но на деле кадры поступают на монитор с разной периодичностью, а не равномерно, что отлично замечает человеческий глаз.
Другой проблемой был переход на активное использование временного буфера — информации о предыдущих кадрах. Если кадр находится в памяти другой видеокарты или в кэше другого чиплета, то информация о нем нельзя будет задействовать при создании следующего кадра, а это важнейшая часть TAA, TSR, DLSS, FSR и пост-эффекта размытия в движении.
Суперкомпьютеры
Не исключено, что в будущем в гейминге важную роль получат и суперкомпьютеры. Конечно, играть на них никто не будет, но выполнять определенные задачи они могут уже сейчас. Например, NVIDIA использует суперкомпьютеры для тренировки своего алгоритма DLSS. Разработчикам нужно всего лишь интегрировать технологию в движок игры.
В дальнейшем алгоритмы типа DLSS могут использоваться не только для ускорения картинки в существующих играх. Нейросети смогут улучшать текстуры и 3D-модели в играх прошлых лет, что заметно ускорит разработку ремастеров. Наконец, не забываем про облачный гейминг — здесь используемые в суперкомпьютерах технологии тоже могут быть очень полезны.
Кстати, «Росатом» — один из отечественных разработчиков суперкомпьютеров. В Саровском ядерном центре в 2011 г. ввели суперкомпьютер мощностью 1 петафлопс, на тот момент он был самым мощным в России. Сейчас ядерный центр серийно выпускает компактные суперкомпьютеры для научно-технических центров, КБ, инжиниринговых компаний, университетов.
Материнские платы и память
Два основных процесса у материнских плат и оперативной памяти — движение в разные стороны. С одной стороны, идет интеграция все большего количества функций материнской платы в процессор.
С другой — сейчас мы видим драматическое увеличение пропускной способности шины PCIe. Каждые три года она удваивается. То есть через 15 лет эта шина в теории будет 16 раз быстрее, чем сейчас, в 128 раз быстрее, чем 15 лет назад, и в 2000 раз быстрее, чем когда появилась первая версия PCIe. Уже сейчас по ней подключены практически все устройства: видеокарты, SATA-жесткие диски, SSD, USB-устройства, сетевые и звуковые карты, а суперкомпьютеры могут использовать разъемы CXL для того, чтобы добавить больше оперативной памяти через PCIe.
В будущем такие скорости могут позволить собирать компьютер буквально как конструктор из простых блоков, наподобие ноутбуков Framework, в которых можно легко заменить любой порт и собрать себе ноут под задачу — с портами USB Type-A или Type-C, с HDMI или DisplayPort. Представьте то же самое, но с вебкамерами, процессорами, видеокартами, Bluetooth и Wi-Fi радио, со встроенным картридером под нужный формат карты памяти.
Мобильные консоли
Сейчас мобильные консоли вроде Steam Deck позволяют играть в практически любую современную игру где угодно. Однако у них есть несколько больших недостатков: они все еще недостаточно мощные и батарея в них садится слишком быстро.
Впрочем, первая проблема решится сам по себе. 15 лет назад самыми мощными игровыми консолями были Sony PSP и Nintendo DS. Их технические возможности смехотворны даже по сравнению с Nintendo Switch, которая сама по себе уже серьезно устарела, а Steam Deck и AYANEO NEXT Pro ближе к современному игровому ноутбуку, чем к древним девайсам. Еще через 15 лет можно ожидать серьезный скачок в мощности мобильных консолей — они будут гораздо производительнее, чем «большие» консоли этого и следующего поколения.
С батареями вопрос сложнее. Сейчас весь мир работает на них: телефоны, планшеты, часы, ноутбуки, мониторы, камеры, автомобили, мотоциклы... Вопрос о повышении плотности хранения электроэнергии стоит уже очень давно, потому что если для персональной техники это вопрос «как быстро ты можешь добежать до розетки?», то для владельца флота электрогрузовиков это вопросы «как часто мне нужны станции подзарядки, как далеко мои грузовики могут ездить, сколько полезного груза они могут везти и по каким дорогам?». Все они куда более актуальны и действительно требуют многомиллиардных инвестиций в новые технологии. Но не исключено, что и через 15 лет мы не получим новые батареи с повышенной емкостью.
Однако технологии все равно развиваются. Процессоры и видеокарты становятся более экономичными, а софт позволяет тратить меньше ресурсов на рендеринг (см. раздел про видеокарты). Даже использование современных интерпретаций DLSS и FSR может перевести Nintendo Switch в другую весовую категорию по производительности и продолжительности работы от батареи, потому что больше не будет необходимости рендерить игры в родном разрешении экрана. Через полтора десятилетия эти технологии продвинутся гораздо дальше, что позволит пользоваться портативными консолями десятки часов без подзарядки с почти лучшей графикой на момент времени.
Экраны
В прошлом технологии экранов долго сменяли друг друга. Электронно-лучевые трубки были незаменимыми около 70 лет. После на их место пришли жидкие кристаллы, которые остаются популярными и 20 лет спустя. Однако у обеих технологий есть огромные недостатки, которые пытаются исправить новые конкуренты (слово для конкурса:
Самый известный и громкий — OLED, экран на органических диодах. В 2022 году появились первые компьютерные мониторы с OLED-матрицами. Они дают невероятно высокий контраст, быстрый отклик с минимальным размытием движения, уровень черного цвета и глубину цветопередачи, но производителям все еще сложно масштабировать матрицы под разные размеры экранов, максимальная яркость сильно ограничена, а органические диоды склонны к выгоранию и стоят дорого. Однако с каждым годом OLED становится все надежнее и дешевле, так что через 15 лет можно легко представить, что это будет доминирующая технология.
Если, конечно, ее не остановит QD-OLED. Сейчас квантовые точки применяют для улучшения характеристик уже существующих ЖК-экранов, но на самом деле их можно использовать как полноценную замену OLED. Samsung Display уже выпустила первые экраны на QD-OLED и блогеры, успевшие оценить их, были шокированы качеством изображения, яркостью и цветопередачей даже по сравнению с OLED. Вполне возможно, что Samsung Display сможет наладить масштабное производство панелей QD-OLED для других производителей мониторов и телевизоров, и мы перейдем с LCD и OLED гораздо раньше, чем через 15 лет.
И, как обычно, есть темная лошадка MicroLED. Не путайте с MiniLED, который использует диоды для подсветки ЖК, MicroLED — тот же OLED, но с неорганическими диодами. В теории, без всех недостатков органики. Однако эта технология требует больше всего работы. Сейчас MicroLED задействуют для телевизоров-стен за десятки миллионов рублей и задников для виртуального продакшена на сериалах вроде «Мандалорца» и фильмах вроде «Тор: Любовь и Гром». Размер отдельных диодов уменьшается с каждым годом, но до размера необходимого для обычного 4К-монитора MicroLED раньше, чем через 10 лет такими темпами не дойдет. Будет ли он кому-то нужен, когда уже существуют OLED и QD-OLED? Кто знает, но скорее нет, чем да.
Впрочем, прогресс коснется не только матриц. Максимальное стандартное разрешение наверняка вырастет с 4К до 8К, но вряд ли пойдет дальше, потому что это пока не выглядит разумным из-за анатомических особенностей глаза человека. Зато частота обновления экранов будет расти, потому что даже подсознательно наш мозг видит разницу в играх, даже если мы ее не осознаем. Известная группа активистов экранов Blur Busters настаивает на 1000 Гц как золотом стандарте будущего. Уже сейчас ASUS обещает мониторы с частотой 500 Гц, но каждые 100 Гц даются компаниям все сложнее и сложнее. Приходится менять техпроцессы, материалы, невероятно точно регулировать ток, идущий по панели — вместе с переходом на новые технологии это будет крайне увлекательное путешествие.
OLED и QD-OLED позволяют делать сгибающиеся и прозрачные экраны. Стоит ли их ждать в будущем? Сгибающиеся — вполне, это может быть удобно. Прозрачные? Их можно делать и сейчас (и они уже существуют), но толку от них мало.
Следите за новостями ГК «Росатом»: