Quantumrun

ŞƏKİL KREDİTİ: Quantumrun

Mikroçiplərin əsaslı şəkildə yenidən nəzərdən keçirilməsinə səbəb olan solğun Mur qanunu: Kompüterlərin gələcəyi P4

David Tal, nəşriyyatçı, futurist
@Davidtalwrites
LinkedIn

Çərşənbə axşamı, 09 - 15:2020

Kompüterlər - onlar böyük bir şeydir. Ancaq "Kompüterlərin Gələcəyi" seriyamızda indiyə qədər işarə etdiyimiz inkişaf etməkdə olan tendensiyaları həqiqətən qiymətləndirmək üçün biz həmçinin hesablama boru kəmərində baş verən inqilabları və ya sadəcə olaraq mikroçiplərin gələcəyini başa düşməliyik.

Əsasları yoldan çıxarmaq üçün biz Mur Qanununu, indi məşhur olan Dr. Qordon E. Murun 1965-ci ildə əsasını qoyduğu qanunu başa düşməliyik. Əslində, Murun bütün bu onilliklər əvvəl başa düşdüyü budur ki, inteqral sxemdəki tranzistorların sayı ikiqat artır. hər 18-24 aydan bir. Buna görə də bu gün 1,000 dollara aldığınız kompüter iki ildən sonra sizə 500 dollara başa gələcək.

Əlli ildən artıqdır ki, yarımkeçiricilər sənayesi bu qanunun mürəkkəb tendensiya xəttinə uyğun yaşayır, yeni əməliyyat sistemləri, video oyunlar, axın videoları, mobil proqramlar və müasir mədəniyyətimizi müəyyən edən hər bir digər rəqəmsal texnologiyaya yol açır. Lakin bu artıma tələbat daha yarım əsr ərzində sabit qalacaq kimi görünsə də, silikon - bütün müasir mikroçiplərin üzərində qurulduğu əsas material - 2021-ci ildən çox uzun müddət keçsə də, bu tələbatı ödəyəcək kimi görünmür. -dan son hesabat Yarımkeçiricilər üçün Beynəlxalq Texnologiya Yol Xəritəsi (ITRS)

Bu, həqiqətən fizikadır: yarımkeçiricilər sənayesi tranzistorları atom miqyasına qədər azaldır, miqyaslı bir silikon tezliklə yararsız olacaq. Və bu sənaye silikonu optimal hədlərini aşmağa çalışdıqca, hər bir mikroçip təkamülü daha bahalı olacaq.

Bu gün gəldiyimiz yer budur. Bir neçə ildən sonra silikon yeni nəsil mikroçiplərin yaradılması üçün sərfəli material olmayacaq. Bu məhdudiyyət yarımkeçirici sənayeni (və cəmiyyəti) bir neçə seçim arasında seçim etməyə məcbur edərək elektronikada inqilaba məcbur edəcək:

Birinci seçim, əlavə miniatürləşdirmə olmadan daha çox emal gücü yaradan mikroçiplərin dizaynının yeni yollarının tapılması lehinə silikonun daha da miniatürləşdirilməsi üçün bahalı inkişafı yavaşlatmaq və ya bitirməkdir.
İkincisi, daha çox sayda tranzistoru daha sıx mikroçiplərə doldurmaq üçün silikondan daha kiçik miqyasda manipulyasiya edilə bilən yeni materiallar tapın.
Üçüncüsü, miniatürləşdirmə və ya enerji istifadəsinin təkmilləşdirilməsinə diqqət yetirmək əvəzinə, xüsusi istifadə halları üçün ixtisaslaşdırılmış prosessorlar yaratmaqla emal sürətinə diqqət yetirin. Bu o demək ola bilər ki, bir ümumi çip əvəzinə, gələcək kompüterlərdə xüsusi çiplər çoxluğu ola bilər. Nümunələrə video oyunlarını yaxşılaşdırmaq üçün istifadə olunan qrafik çipləri daxildir Google-un təqdimatı maşın öyrənmə proqramlarında ixtisaslaşan Tensor Processing Unit (TPU) çipinin.
Nəhayət, daha sıx/kiçik mikroçiplərə ehtiyac olmadan daha sürətli və daha səmərəli işləyə bilən yeni proqram təminatı və bulud infrastrukturu dizayn edin.

Texnologiya sənayemiz hansı variantı seçəcək? Real olaraq: hamısı.

Mur Qanunu üçün həyat xətti

Aşağıdakı siyahı yarımkeçirici sənayesində rəqiblərin Mur Qanununu canlı saxlamaq üçün istifadə edəcəkləri yaxın və uzunmüddətli innovasiyalara qısa nəzər salmaqdır. Bu hissə bir qədər sıxdır, lakin biz onu oxunaqlı saxlamağa çalışacağıq.

Nanomaterialların. Intel kimi qabaqcıl yarımkeçirici şirkətlər artıq bunu edəcəklərini açıqlayıblar silisium buraxın onlar yeddi nanometrlik (7nm) miniatürləşdirmə miqyasına çatdıqda. Silikonu əvəz etməyə namizədlər arasında indium antimonid (InSb), indium qallium arsenid (InGaAs) və silikon-germanium (SiGe) var, lakin ən çox həyəcan verən material karbon nanoborucuqları kimi görünür. Qrafitdən hazırlanmış - özü də möcüzə materialı olan qrafenin kompozit yığını - karbon nanoborucuqları atomları qalınlaşdıra bilər, son dərəcə keçiricidir və gələcək mikroçipləri 2020-ci ilə qədər beş dəfə daha sürətli edəcəkləri təxmin edilir.

Optik hesablama. Çiplərin dizaynı ilə bağlı ən böyük problemlərdən biri elektronların bir tranzistordan digərinə keçməməsini təmin etməkdir - bu, atom səviyyəsinə daxil olduqdan sonra sonsuz dərəcədə çətinləşir. İnkişaf etməkdə olan optik hesablama texnologiyası elektronları fotonlarla əvəz etməyə çalışır, bunun sayəsində işıq (elektrik deyil) tranzistordan tranzistora keçir. 2017 In, tədqiqatçılar işıq əsaslı məlumatları (fotonları) səs dalğaları kimi kompüter çipində saxlamaq qabiliyyətini nümayiş etdirərək bu məqsədə doğru nəhəng addım atıblar. Bu yanaşmadan istifadə edərək, mikroçiplər 2025-ci ilə qədər işıq sürətinə yaxın işləyə bilər.

Spintronika. İnkişafda iyirmi ildən artıqdır ki, spintronik tranzistorlar məlumatı təmsil etmək üçün elektronun yükü əvəzinə onun "fırlanmasından" istifadə etməyə çalışırlar. Kommersiyalaşdırılmasından hələ çox uzaq olsa da, əgər həll olunarsa, tranzistorun bu formasının işləməsi üçün adi tranzistorlardan yüzlərlə dəfə kiçik olan yalnız 10-20 millivolt tələb olunacaq; bu, həm də daha kiçik çiplər istehsal edərkən yarımkeçirici şirkətlərin qarşılaşdıqları həddindən artıq istiləşmə problemlərini aradan qaldıracaq.

Neyromorfik hesablamalar və memristorlar. Bu yaxınlaşan emal böhranını həll etmək üçün başqa bir yeni yanaşma insan beynində yatır. Xüsusilə IBM və DARPA-nın tədqiqatçıları yeni növ mikroçipin - inteqral sxemləri beynin hesablamaya daha mərkəzləşdirilməmiş və qeyri-xətti yanaşmasını təqlid etmək üçün nəzərdə tutulmuş çipin hazırlanmasına rəhbərlik edirlər. (Bunu yoxlayın ScienceBlogs məqaləsi İnsan beyni ilə kompüterlər arasındakı fərqləri daha yaxşı başa düşmək üçün.) İlkin nəticələr göstərir ki, beyni təqlid edən çiplər nəinki əhəmiyyətli dərəcədə daha səmərəlidir, həm də indiki mikroçiplərdən inanılmaz dərəcədə daha az vatdan istifadə etməklə işləyirlər.

Eyni beyin modelləşdirmə yanaşmasından istifadə edərək, tranzistorun özü, kompüterinizin mikroçipinin məsəl tikinti bloku tezliklə memristorla əvəz edilə bilər. “İoniklər” dövrünü açan memristor ənənəvi tranzistorla müqayisədə bir sıra maraqlı üstünlüklər təklif edir:

Birincisi, memristorlar elektrik kəsilsə belə, onlardan keçən elektron axını xatırlaya bilər. Tərcümə olunduqda, bu o deməkdir ki, bir gün kompüterinizi lampanızla eyni sürətlə yandıra bilərsiniz.
Tranzistorlar ikili, 1s və ya 0-lardır. Memristorlar isə bu ekstremallar arasında müxtəlif vəziyyətlərə malik ola bilər, məsələn, 0.25, 0.5, 0.747 və s. Bu, memristorların beynimizdəki sinapslara bənzər işləməsini təmin edir və bu, böyük bir işdir, çünki o, bir sıra gələcək hesablamalar aça bilər. imkanlar.
Bundan sonra, memristorların işləməsi üçün silikona ehtiyac yoxdur, yarımkeçiricilər sənayesi üçün mikroçipləri daha da kiçiltmək üçün yeni materiallardan istifadə etməklə təcrübə aparmağa yol açır (əvvəllər qeyd edildiyi kimi).
Nəhayət, IBM və DARPA-nın neyromorfik hesablamada əldə etdiyi tapıntılara bənzər olaraq, memristorlara əsaslanan mikroçiplər daha sürətlidir, daha az enerji sərf edir və hazırda bazarda olan çiplərdən daha yüksək məlumat sıxlığına malik ola bilər.

3D çiplər. Ənənəvi mikroçiplər və onları gücləndirən tranzistorlar düz, iki ölçülü müstəvidə işləyir, lakin 2010-cu illərin əvvəllərində yarımkeçirici şirkətlər öz çiplərinə üçüncü ölçü əlavə etməklə təcrübə aparmağa başladılar. "FinFET" adlanan bu yeni tranzistorlar çipin səthindən yapışan bir kanala malikdir və onlara kanallarında baş verənlərə daha yaxşı nəzarət edir, təxminən 40 faiz daha sürətli işləməyə və enerjinin yarısından istifadə etməyə imkan verir. Bununla belə, mənfi cəhət odur ki, bu çiplərin istehsalı hazırda əhəmiyyətli dərəcədə daha çətindir (bahalıdır).

Ancaq fərdi tranzistorları yenidən dizayn etməkdən başqa, gələcək 3D çiplər həmçinin şaquli şəkildə yığılmış təbəqələrdə hesablama və məlumatların saxlanmasını birləşdirməyi hədəfləyir. Hal-hazırda ənənəvi kompüterlər yaddaş çubuqlarını prosessorundan santimetr məsafədə yerləşdirirlər. Lakin yaddaş və emal komponentlərini birləşdirməklə, bu məsafə santimetrdən mikrometrə qədər azalır və emal sürətində və enerji istehlakında böyük təkmilləşdirməyə imkan verir.

Kvant hesablama. Gələcəyə baxsaq, müəssisə səviyyəsində hesablamaların böyük bir hissəsi kvant fizikasının qəribə qanunları altında işləyə bilər. Bununla belə, bu növ hesablamanın əhəmiyyətinə görə biz bu seriyanın ən sonunda ona öz fəslini verdik.

Super mikroçiplər yaxşı iş deyil

Yaxşı, yuxarıda oxuduqlarınız hər şey yaxşıdır - biz işıq sürəti ilə işləyə bilən insan beynindən sonra modelləşdirilmiş ultra enerjiyə qənaət edən mikroçiplərdən danışırıq - amma iş ondadır ki, yarımkeçirici çip istehsalı sənayesi deyil. bu anlayışları kütləvi istehsal reallığına çevirmək üçün həddindən artıq həvəslidirlər.

Intel, Samsung və AMD kimi texnologiya nəhəngləri ənənəvi, silikon əsaslı mikroçiplər istehsal etmək üçün onilliklər ərzində milyardlarla dollar sərmayə qoyublar. Yuxarıda qeyd olunan yeni konsepsiyalardan hər hansı birinə keçmək bu investisiyaları ləğv etmək və satış rekordu sıfıra bərabər olan yeni mikroçip modellərinin kütləvi istehsalı üçün yeni fabriklərin tikintisinə milyardlarla vəsait sərf etmək deməkdir.

Bu yarımkeçirici şirkətləri geridə saxlayan təkcə vaxt və pul investisiyası deyil. Həmişə daha güclü mikroçiplərə istehlakçı tələbi də azalmaqdadır. Fikir verin: 90-cı illərdə və 00-ci illərin əksəriyyətində kompüter və ya telefonunuzla ticarət edəcəyiniz demək olar ki, hər il olmasa da, hər iki ildən bir idi. Bu, ev və iş həyatınızı asanlaşdırmaq və daha yaxşı etmək üçün çıxan bütün yeni proqram və proqramlarla ayaqlaşmağa imkan verəcəkdir. Bu günlərdə nə qədər tez-tez bazarda ən son masaüstü və ya noutbuk modelinə yüksəlirsiniz?

Smartfonunuz haqqında düşünəndə cibinizdə cəmi 20 il əvvəl superkompüter hesab edilən şey var. Batareya ömrü və yaddaşla bağlı şikayətlərdən başqa, 2016-cı ildən bəri alınmış telefonların əksəriyyəti istənilən proqram və ya mobil oyunu işlətmək, SO-nuzla hər hansı musiqi videosu və ya yaramaz facetiming seansı yayımlamaq və ya telefonunuzda etmək istədiyiniz hər şeyi mükəmməl şəkildə həyata keçirə bilir. telefon. Bu işləri 1,000-10 faiz daha yaxşı etmək üçün həqiqətən hər il 15 dollar və ya daha çox xərcləməyə ehtiyacınız varmı? Hətta fərqi hiss edərdinizmi?

Əksər insanlar üçün cavab yoxdur.

Mur Qanununun gələcəyi

Keçmişdə yarımkeçirici texnologiyaya ən çox investisiya maliyyəsi hərbi müdafiə xərclərindən gəlirdi. Daha sonra o, istehlakçı elektronikası istehsalçıları ilə əvəz olundu və 2020-2023-cü illərdə mikroçiplərin daha da inkişafına aparıcı investisiyalar bu dəfə aşağıdakı sahələr üzrə ixtisaslaşan sənayelərdən yenidən dəyişəcək:

Növbəti nəsil məzmun. Geniş ictimaiyyətə holoqrafik, virtual və genişlənmiş reallıq cihazlarının yaxından təqdim edilməsi, xüsusən də bu texnologiyalar 2020-ci illərin sonlarında yetkinləşdikcə və populyarlaşdıqca, məlumat axınına daha çox tələbat yaradacaq.
Cloud computing. Bu seriyanın növbəti hissəsində izah edilmişdir.
Muxtar nəqliyyat vasitələri. Bizdə hərtərəfli izah edilmişdir Nəqliyyatın Gələcəyi seriyası.
Əşyaların interneti. Bizim izahatda Things İnternet bölməmizdə İnternetin gələcəyi seriyası.
Böyük məlumat və analitika. Hərbi, kosmos tədqiqatları, meteoroloqlar, əczaçılıq, logistika və s. kimi məlumatların müntəzəm axtarışını tələb edən təşkilatlar toplanmış məlumatların daim genişlənən dəstlərini təhlil etmək üçün getdikcə daha güclü kompüterlər tələb etməyə davam edəcəklər.

Yeni nəsil mikroçiplərin yaradılması üzrə elmi-tədqiqat işlərinin maliyyələşdirilməsi həmişə mövcud olacaq, lakin sual ondan ibarətdir ki, mikroprosessorların daha mürəkkəb formaları üçün tələb olunan maliyyə səviyyəsi Mur Qanununun artım tələblərinə cavab verə bilərmi? Mikroçiplərin yeni formalarına keçid və kommersiyalaşdırılması xərclərini, eləcə də istehlakçı tələbinin yavaşlaması, gələcək hökumət büdcəsi böhranları və iqtisadi tənəzzülləri nəzərə alsaq, Mur Qanununun 2020-ci illərin əvvəllərində, gec bərpa olunmazdan əvvəl qısa müddətə yavaşlayacağı və ya dayandırılacağı ehtimalı var. 2020-ci illər, 2030-cu illərin əvvəlləri.

Mur Qanununun niyə yenidən sürət qazanacağına gəlincə, deyək ki, turbo-güclü mikroçiplər hesablama boru kəmərində gələn yeganə inqilab deyil. Gələcək Kompüterlər seriyamızda biz bulud hesablamalarının böyüməsini sürətləndirən tendensiyaları araşdıracağıq.