قانون مور الباهت لإثارة إعادة التفكير الأساسي في الرقائق الدقيقة: مستقبل أجهزة الكمبيوتر P4

أجهزة الكمبيوتر - إنها مشكلة كبيرة نوعًا ما. ولكن لكي نقدر حقًا الاتجاهات الناشئة التي ألمحنا إليها حتى الآن في سلسلة مستقبل أجهزة الكمبيوتر ، نحتاج أيضًا إلى فهم الثورات التي تتدفق عبر خط الأنابيب الحسابي ، أو ببساطة: مستقبل الرقائق الدقيقة.

لإخراج الأساسيات من الطريق ، علينا أن نفهم قانون مور ، القانون الشهير الآن الذي أسسه الدكتور جوردون إي مور في عام 1965. بشكل أساسي ، ما أدركه مور كل تلك العقود الماضية هو أن عدد الترانزستورات في الدائرة المتكاملة يتضاعف كل 18 إلى 24 شهرًا. هذا هو السبب في أن نفس الكمبيوتر الذي تشتريه اليوم مقابل 1,000 دولار سيكلفك 500 دولار بعد عامين من الآن.

لأكثر من خمسين عامًا ، تماشى قطاع أشباه الموصلات مع خط الاتجاه المركب لهذا القانون ، مما يمهد الطريق لأنظمة التشغيل الجديدة وألعاب الفيديو وتدفق الفيديو وتطبيقات الأجهزة المحمولة وكل التقنيات الرقمية الأخرى التي حددت ثقافتنا الحديثة. ولكن في حين يبدو أن الطلب على هذا النمو سيظل ثابتًا لمدة نصف قرن آخر ، فإن السيليكون - مادة الأساس التي تصنع بها جميع الرقائق الدقيقة الحديثة - لا يبدو أنه سيلبي هذا الطلب لفترة أطول بكثير تتجاوز 2021 - وفقًا لـ آخر تقرير من خارطة طريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات (ITRS)

إنها فيزياء حقًا: صناعة أشباه الموصلات تقلص الترانزستورات إلى النطاق الذري ، وسيصبح مقياس السيليكون قريبًا غير مناسب. وكلما حاولت هذه الصناعة تقليص السيليكون إلى ما هو أبعد من حدوده المثلى ، زادت تكلفة تطور كل رقاقة ميكروية.

هذا هو المكان الذي نحن فيه اليوم. في غضون سنوات قليلة ، لن يكون السيليكون مادة فعالة من حيث التكلفة لبناء الجيل التالي من الرقائق الدقيقة المتطورة. سيؤدي هذا الحد إلى إحداث ثورة في الإلكترونيات من خلال إجبار صناعة أشباه الموصلات (والمجتمع) على الاختيار من بين عدد قليل من الخيارات:

• الخيار الأول هو إبطاء أو إنهاء التطوير المكلف لزيادة تصغير السيليكون ، لصالح إيجاد طرق جديدة لتصميم الرقائق الدقيقة التي تولد المزيد من قوة المعالجة دون تصغير إضافي.

• ثانيًا ، ابحث عن مواد جديدة يمكن معالجتها بمقاييس أصغر بكثير من السيليكون لحشو أعداد أكبر من الترانزستورات في رقاقات ميكروية أكثر كثافة.

• ثالثًا ، بدلاً من التركيز على التصغير أو تحسينات استخدام الطاقة ، أعد التركيز على سرعة المعالجة من خلال إنشاء معالجات متخصصة لحالات استخدام محددة. قد يعني هذا أنه بدلاً من امتلاك شريحة عامة واحدة ، قد تحتوي أجهزة الكمبيوتر المستقبلية على مجموعة من الرقائق المتخصصة. تتضمن الأمثلة شرائح الرسومات المستخدمة لتحسين ألعاب الفيديو إلى مقدمة جوجل من شريحة وحدة معالجة Tensor (TPU) المتخصصة في تطبيقات التعلم الآلي.

• أخيرًا ، صمم برنامجًا جديدًا وبنية تحتية سحابية يمكن أن تعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة دون الحاجة إلى شرائح ميكروية أصغر / أكثر كثافة.

ما هو الخيار الذي ستختاره صناعة التكنولوجيا لدينا؟ واقعيا: كل منهم.

شريان الحياة لقانون مور

القائمة التالية هي لمحة موجزة عن الابتكارات قصيرة وطويلة الأجل التي سيستخدمها المنافسون في صناعة أشباه الموصلات للحفاظ على قانون مور على قيد الحياة. هذا الجزء كثيف بعض الشيء ، لكننا سنحاول جعله قابلاً للقراءة.

المواد النانوية. أعلنت شركات أشباه الموصلات الرائدة ، مثل Intel ، أنها ستفعل ذلك إسقاط السيليكون بمجرد أن يصلوا إلى جداول تصغير سبعة نانومتر (7 نانومتر). من بين المرشحين لاستبدال السيليكون أنيمونيد الإنديوم (InSb) وزرسيد الغاليوم الإنديوم (InGaAs) والسيليكون-الجرمانيوم (SiGe) ولكن يبدو أن المادة التي تحصل على أكبر قدر من الإثارة هي الأنابيب النانوية الكربونية. مصنوعة من الجرافيت - وهو نفسه عبارة عن كومة مركبة من مادة عجيبة ، الجرافين - يمكن للأنابيب النانوية الكربونية أن تصنع ذرات سميكة ، وهي موصلة للغاية ، ويُقدر أنها ستصنع رقاقات ميكروية مستقبلية أسرع بخمس مرات بحلول عام 2020.

الحوسبة الضوئية. أحد أكبر التحديات المتعلقة بتصميم الرقائق هو التأكد من أن الإلكترونات لا تنتقل من ترانزستور إلى آخر - وهو اعتبار يصبح أكثر صعوبة بمجرد دخولك المستوى الذري. تتطلع تقنية الحوسبة الضوئية الناشئة إلى استبدال الإلكترونات بالفوتونات ، حيث يمر الضوء (وليس الكهرباء) من الترانزستور إلى الترانزستور. في 2017اتخذ الباحثون خطوة عملاقة نحو هذا الهدف من خلال إظهار القدرة على تخزين المعلومات القائمة على الضوء (الفوتونات) كموجات صوتية على شريحة كمبيوتر. باستخدام هذا النهج ، يمكن أن تعمل الرقائق الدقيقة بالقرب من سرعة الضوء بحلول عام 2025.

الإلكترونيات الدورانية. على مدى عقدين من التطور ، حاولت الترانزستورات السينية استخدام "لف" الإلكترون بدلاً من شحنته لتمثيل المعلومات. بينما لا يزال الطريق طويلاً من التسويق ، إذا تم حله ، فإن هذا الشكل من الترانزستور سيحتاج فقط إلى 10-20 ملي فولت للعمل ، ومئات المرات أصغر من الترانزستورات التقليدية ؛ سيؤدي هذا أيضًا إلى إزالة المشكلات المحمومة التي تواجهها شركات أشباه الموصلات عند إنتاج رقائق أصغر.

الحوسبة العصبية و memristors. تكمن طريقة جديدة أخرى لحل أزمة المعالجة التي تلوح في الأفق في الدماغ البشري. يقود الباحثون في IBM و DARPA ، على وجه الخصوص ، تطوير نوع جديد من الرقائق الدقيقة - شريحة صُممت دوائرها المتكاملة لتقليد نهج الدماغ اللامركزي وغير الخطي للحوسبة. (ألق نظرة على هذا مقالة ScienceBlogs لفهم الاختلافات بين الدماغ البشري وأجهزة الكمبيوتر بشكل أفضل.) تشير النتائج المبكرة إلى أن الرقائق التي تحاكي الدماغ ليست فقط أكثر كفاءة بشكل ملحوظ ، ولكنها تعمل باستخدام طاقة كهربائية أقل بشكل لا يصدق من الرقائق الدقيقة الحالية.

باستخدام نفس نهج نمذجة الدماغ ، قد يتم قريبًا استبدال الترانزستور نفسه ، وهو لبنة البناء التي يضرب بها المثل في رقاقة جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، بـ memristor. مقدمة إلى عصر "الأيونات" ، يقدم memristor عددًا من المزايا المثيرة للاهتمام على الترانزستور التقليدي:

• أولاً ، يمكن أن يتذكر memristors تدفق الإلكترون الذي يمر عبرهم - حتى في حالة انقطاع التيار الكهربائي. إذا تمت ترجمته ، فهذا يعني أنه يمكنك يومًا ما تشغيل جهاز الكمبيوتر الخاص بك بنفس سرعة المصباح الكهربائي.

• الترانزستورات ثنائية ، إما 1 أو 0 ثانية. في غضون ذلك ، يمكن أن يكون لدى Memristors مجموعة متنوعة من الحالات بين هذين المتطرفين ، مثل 0.25 و 0.5 و 0.747 وما إلى ذلك. وهذا يجعل memristors تعمل بشكل مشابه لنقاط الاشتباك العصبي في أدمغتنا ، وهذه مشكلة كبيرة لأنها يمكن أن تفتح مجموعة من الحوسبة المستقبلية الاحتمالات.

• بعد ذلك ، لا تحتاج memristors إلى السيليكون لتعمل ، مما يفتح الطريق أمام صناعة أشباه الموصلات لتجربة استخدام مواد جديدة لزيادة تصغير الرقائق الدقيقة (كما هو موضح سابقًا).

• أخيرًا ، على غرار النتائج التي توصلت إليها شركة IBM و DARPA في الحوسبة العصبية ، فإن الرقائق الدقيقة المستندة إلى memristors أسرع ، وتستخدم طاقة أقل ، ويمكن أن تحتوي على كثافة معلومات أعلى من الرقائق الموجودة حاليًا في السوق.

رقائق ثلاثية الأبعاد. تعمل الرقائق الدقيقة التقليدية والترانزستورات التي تشغلها على مستوى مسطح ثنائي الأبعاد ، ولكن في أوائل عام 2010 ، بدأت شركات أشباه الموصلات في تجربة إضافة بُعد ثالث لرقائقها. هذه الترانزستورات الجديدة ، التي يطلق عليها اسم "finFET" ، لها قناة تبرز من سطح الشريحة ، مما يمنحها تحكمًا أفضل فيما يحدث في قنواتها ، مما يسمح لها بالعمل أسرع بنسبة 40 بالمائة تقريبًا ، وتعمل باستخدام نصف الطاقة. ومع ذلك ، فإن الجانب السلبي هو أن إنتاج هذه الرقائق أكثر صعوبة (مكلفة) في الوقت الحالي.

ولكن بعد إعادة تصميم الترانزستورات الفردية ، المستقبل رقائق ثلاثية الأبعاد تهدف أيضًا إلى الجمع بين الحوسبة وتخزين البيانات في طبقات مكدسة رأسياً. في الوقت الحالي ، تضم أجهزة الكمبيوتر التقليدية بطاقات الذاكرة الخاصة بهم بسنتيمتر من معالجها. ولكن من خلال دمج مكونات الذاكرة والمعالجة ، تنخفض هذه المسافة من سنتيمترات إلى ميكرومتر ، مما يتيح تحسينًا هائلاً في سرعات المعالجة واستهلاك الطاقة.

الاحصاء الكمية. بالنظر إلى المستقبل ، يمكن لجزء كبير من الحوسبة على مستوى المؤسسة أن يعمل في ظل قوانين الفيزياء الكمومية الفظيعة. ومع ذلك ، نظرًا لأهمية هذا النوع من الحوسبة ، فقد قدمنا ​​له فصلًا خاصًا به في نهاية هذه السلسلة.

الرقائق الدقيقة الفائقة ليست عملًا جيدًا

حسنًا ، ما قرأته أعلاه جيدًا وجيد - نحن نتحدث عن رقائق دقيقة فائقة الكفاءة في استخدام الطاقة على غرار الدماغ البشري والتي يمكن أن تعمل بسرعة الضوء - ولكن الشيء هو أن صناعة رقائق أشباه الموصلات ليست حريص للغاية على تحويل هذه المفاهيم إلى حقيقة منتجة بكميات كبيرة.

لقد استثمر عمالقة التكنولوجيا ، مثل Intel و Samsung و AMD ، بالفعل مليارات الدولارات على مدى عقود لإنتاج شرائح صغيرة تقليدية تعتمد على السيليكون. قد يعني التحول إلى أي من المفاهيم الجديدة المذكورة أعلاه إلغاء هذه الاستثمارات وإنفاق المليارات أكثر على إنشاء مصانع جديدة لإنتاج نماذج رقاقات دقيقة جديدة ذات سجل مبيعات يصل إلى صفر.

لا يقتصر الأمر على استثمار الوقت والمال الذي يمنع شركات أشباه الموصلات هذه. كما أن طلب المستهلكين على رقائق ميكروية أكثر قوة يتضاءل أيضًا. فكر في الأمر: خلال التسعينيات ومعظم القرن الحادي والعشرين ، كان من المسلم به تقريبًا أنك تتداول في جهاز الكمبيوتر أو الهاتف الخاص بك ، إن لم يكن كل عام ، ثم كل عامين. سيتيح لك ذلك مواكبة جميع البرامج والتطبيقات الجديدة التي تم طرحها لجعل حياتك المنزلية والعملية أسهل وأفضل. في هذه الأيام ، كم مرة تقوم بالترقية إلى أحدث طراز كمبيوتر مكتبي أو كمبيوتر محمول في السوق؟

عندما تفكر في هاتفك الذكي ، ستجد في جيبك ما كان يمكن اعتباره كمبيوترًا فائقًا قبل 20 عامًا فقط. بصرف النظر عن الشكاوى المتعلقة بعمر البطارية والذاكرة ، فإن معظم الهواتف التي تم شراؤها منذ عام 2016 قادرة تمامًا على تشغيل أي تطبيق أو لعبة محمولة ، أو بث أي فيديو موسيقي أو جلسة شقية مع SO الخاص بك ، أو أي شيء آخر تريد القيام به على هاتفك. هاتف. هل تحتاج حقًا إلى إنفاق 1,000 دولار أو أكثر كل عام للقيام بهذه الأشياء بشكل أفضل بنسبة 10-15 بالمائة؟ هل ستلاحظ الفرق حتى؟

بالنسبة لمعظم الناس ، الإجابة هي لا.

مستقبل قانون مور

في الماضي ، كان معظم تمويل الاستثمار في تكنولوجيا أشباه الموصلات يأتي من الإنفاق الدفاعي العسكري. ثم تم استبدالها بمصنعي الإلكترونيات الاستهلاكية ، وبحلول 2020-2023 ، سيتحول الاستثمار الرائد في مزيد من تطوير الرقائق الدقيقة مرة أخرى ، وهذه المرة من الصناعات المتخصصة في ما يلي:

• محتوى من الجيل التالي. سيؤدي التقديم القادم لأجهزة الواقع الافتراضي والافتراضي والمعزز إلى زيادة الطلب على تدفق البيانات ، خاصة وأن هذه التقنيات تنضج وتزداد شعبيتها خلال أواخر عام 2020.

• الحوسبة السحابية. شرح في الجزء التالي من هذه السلسلة.

• المركبات ذاتية القيادة. شرح بدقة في موقعنا مستقبل النقل سلسلة.

• انترنت الأشياء. وأوضح في موقعنا إنترنت الأشياء الفصل في منطقتنا مستقبل الإنترنت سلسلة.

• البيانات الضخمة والتحليلات. المنظمات التي تتطلب معالجة البيانات بشكل منتظم - فكر في الجيش ، واستكشاف الفضاء ، والمتنبئين بالطقس ، والمستحضرات الصيدلانية ، والخدمات اللوجستية ، وما إلى ذلك - ستستمر في طلب أجهزة كمبيوتر قوية بشكل متزايد لتحليل مجموعاتها المتزايدة من البيانات المجمعة.

سيظل تمويل البحث والتطوير في الجيل التالي من الرقائق الدقيقة موجودًا دائمًا ، ولكن السؤال هو ما إذا كان مستوى التمويل اللازم لأشكال أكثر تعقيدًا من المعالجات الدقيقة يمكن أن يواكب متطلبات النمو لقانون مور. نظرًا لتكلفة التحول إلى أشكال جديدة من الرقائق الدقيقة وتسويقها ، إلى جانب تباطؤ طلب المستهلكين ، وأزمات الميزانية الحكومية المستقبلية ، والركود الاقتصادي ، فمن المحتمل أن يتباطأ قانون مور أو يتوقف لفترة وجيزة في أوائل عام 2020 ، قبل أن يعود مرة أخرى في أواخر عام 2020. 2030 ، أوائل XNUMX.

بالنسبة إلى سبب زيادة سرعة قانون مور مرة أخرى ، حسنًا ، دعنا نقول فقط أن الرقائق الدقيقة التي تعمل بالطاقة التوربينية ليست هي الثورة الوحيدة التي تنطلق في خط أنابيب الحوسبة. بعد ذلك في سلسلة مستقبل أجهزة الكمبيوتر ، سنستكشف الاتجاهات التي تغذي نمو الحوسبة السحابية.

سلسلة مستقبل الحاسبات

واجهات مستخدم ناشئة لإعادة تعريف الإنسانية: مستقبل أجهزة الكمبيوتر P1

مستقبل تطوير البرمجيات: مستقبل أجهزة الكمبيوتر P2

ثورة التخزين الرقمي: مستقبل أجهزة الكمبيوتر P3

تصبح الحوسبة السحابية لامركزية: مستقبل أجهزة الكمبيوتر P5

لماذا تتنافس الدول على بناء أكبر حواسيب عملاقة؟ مستقبل الحاسبات ص 6

كيف ستغير أجهزة الكمبيوتر الكمومية العالم: مستقبل أجهزة الكمبيوتر P7