Quantumrun

КРЭДЫТ ВЫЯВЫ: Quantumrun

Знікаючы закон Мура, які выклікае фундаментальнае пераасэнсаванне мікрачыпаў: будучыня кампутараў P4

Дэвід Таль, выдавец, футурыст
@DavidTalWrites
LinkedIn

Аў, 09 - 15:2020

Камп'ютары - гэта накшталт вялікая справа. Але каб па-сапраўднаму ацаніць новыя тэндэнцыі, на якія мы намякалі дагэтуль у нашай серыі «Будучыня кампутараў», нам таксама неабходна разумець рэвалюцыі, якія імкліва праходзяць па канвееры вылічэнняў, ці проста: будучыню мікрачыпаў.

Каб разабрацца з асновамі, мы павінны зразумець закон Мура, цяпер вядомы закон доктара Гордана Мура, заснаваны ў 1965 годзе. Па сутнасці, тое, што Мур зразумеў усе тыя дзесяцігоддзі таму, гэта тое, што колькасць транзістараў у інтэгральнай схеме падвойваецца кожныя 18-24 месяцы. Вось чаму той самы кампутар, які вы купляеце сёння за 1,000 долараў, праз два гады будзе каштаваць вам 500 долараў.

На працягу больш чым пяцідзесяці гадоў паўправадніковая прамысловасць адпавядала тэндэнцыі злучэння гэтага закона, адкрываючы шлях для новых аперацыйных сістэм, відэагульняў, струменевага відэа, мабільных праграм і ўсіх іншых лічбавых тэхналогій, якія вызначылі нашу сучасную культуру. Але ў той час як попыт на гэты рост здаецца, што ён будзе заставацца стабільным яшчэ паўстагоддзя, крэмній - асноватворны матэрыял, з якога пабудаваны ўсе сучасныя мікрачыпы - здаецца, што ён не будзе задавальняць гэты попыт значна больш, чым прайшоў 2021 год - згодна з апошні рэпартаж ад ст Міжнародная тэхналагічная дарожная карта для паўправаднікоў (ITRS)

Гэта насамрэч фізіка: паўправадніковая прамысловасць скарачае транзістары да атамнага маштабу, для якога крэмній хутка стане непрыдатным. І чым больш гэтая індустрыя спрабуе скараціць крэмній за яго аптымальныя межы, тым даражэй будзе станавіцца кожная эвалюцыя мікрачыпа.

Вось дзе мы знаходзімся сёння. Праз некалькі гадоў крэмній больш не будзе эканамічна эфектыўным матэрыялам для стварэння наступнага пакалення перадавых мікрачыпаў. Гэта абмежаванне прывядзе да рэвалюцыі ў электроніцы, прымусіўшы паўправадніковую прамысловасць (і грамадства) выбіраць паміж некалькімі варыянтамі:

Першы варыянт заключаецца ў запаволенні або спыненні дарагіх распрацовак для далейшай мініяцюрызацыі крэмнію ў карысць пошуку новых спосабаў распрацоўкі мікрачыпаў, якія ствараюць большую вылічальную магутнасць без дадатковай мініяцюрызацыі.
Па-другое, знайдзіце новыя матэрыялы, якімі можна маніпуляваць у значна меншых маштабах, чым крэмній, каб убудаваць усё большую колькасць транзістараў у яшчэ больш шчыльныя мікрачыпы.
Па-трэцяе, замест таго, каб засяроджвацца на мініяцюрызацыі або паляпшэнні энергаспажывання, пераарыентуйцеся на хуткасць апрацоўкі шляхам стварэння працэсараў, якія спецыялізуюцца для канкрэтных выпадкаў выкарыстання. Гэта можа азначаць, што замест аднаго чыпа шырокага профілю будучыя кампутары могуць мець кластар спецыяльных чыпаў. Прыклады ўключаюць графічныя чыпы, якія выкарыстоўваюцца для паляпшэння відэагульняў Прадстаўленне Google чыпа Tensor Processing Unit (TPU), які спецыялізуецца на праграмах машыннага навучання.
Нарэшце, распрацуйце новае праграмнае забеспячэнне і воблачную інфраструктуру, якія могуць працаваць хутчэй і больш эфектыўна без неабходнасці больш шчыльных/меншых мікрачыпаў.

Які варыянт абярэ наша індустрыя тэхналогій? Рэальна: усе.

Выратавальны круг для закона Мура

Наступны спіс уяўляе сабой кароткае ўяўленне аб бліжэйшых і доўгатэрміновых інавацыях, якія будуць выкарыстоўваць канкурэнты ў паўправадніковай прамысловасці, каб захаваць закон Мура. Гэтая частка трохі шчыльная, але мы паспрабуем захаваць яе чытабельнай.

нанаматэрыялы. Вядучыя паўправадніковыя кампаніі, такія як Intel, ужо абвясцілі аб гэтым падзенне крэмнія як толькі яны дасягнуць маштабу мініяцюрызацыі ў сем нанаметраў (7 нм). Кандыдаты на замену крэмнію ўключаюць антыманід індыя (InSb), арсенід індыю галію (InGaAs) і крэмній-германій (SiGe), але матэрыял, які выклікае найбольшае захапленне, здаецца, вугляродныя нанатрубкі. Вугляродныя нанатрубкі, вырабленыя з графіту, які сам па сабе ўяўляе сабой кампазіцыйны стос цуда-матэрыялу, можна зрабіць атамамі таўшчынёй, яны надзвычай праводныя і, паводле ацэнак, да 2020 года зробяць будучыя мікрачыпы ў пяць разоў хутчэйшымі.

Аптычныя вылічэнні. Адной з самых вялікіх праблем пры распрацоўцы чыпаў з'яўляецца забеспячэнне таго, каб электроны не пераходзілі з аднаго транзістара на іншы - гэта пытанне становіцца бясконца цяжэй, калі вы пераходзіце на атамны ўзровень. Новая тэхналогія аптычных вылічэнняў замяняе электроны фатонамі, у выніку чаго святло (а не электрычнасць) перадаецца ад транзістара да транзістара. У 2017, даследчыкі зрабілі гіганцкі крок да гэтай мэты, прадэманстраваўшы здольнасць захоўваць светлавую інфармацыю (фатоны) у выглядзе гукавых хваль на камп'ютэрным чыпе. З дапамогай гэтага падыходу мікрачыпы змогуць працаваць з хуткасцю, блізкай да святла, да 2025 года.

Спінтроніка. Больш за два дзесяцігоддзі распрацоўкі спінтронныя транзістары спрабуюць выкарыстоўваць «спін» электрона замест яго зарада для прадстаўлення інфармацыі. Нягледзячы на тое, што да камерцыялізацыі ўсё яшчэ далёка, але калі яе вырашыць, для працы гэтай формы транзістара спатрэбіцца ўсяго 10-20 мілівольт, што ў сотні разоў менш, чым звычайныя транзістары; гэта таксама ліквідуе праблемы перагрэву, з якімі сутыкаюцца паўправадніковыя кампаніі пры вытворчасці ўсё меншых мікрасхем.

Нейраморфныя вылічэнні і мемрыстары. Яшчэ адзін новы падыход да вырашэння гэтага навіслага крызісу апрацоўкі ляжыць у чалавечым мозгу. Даследчыкі IBM і DARPA, у прыватнасці, вядуць распрацоўку новага віду мікрачыпа — чыпа, інтэгральныя схемы якога створаны для імітацыі больш дэцэнтралізаванага і нелінейнага падыходу мозгу да вылічэнняў. (Праверце гэта Артыкул ScienceBlogs каб лепш зразумець адрозненні паміж чалавечым мозгам і кампутарамі.) Першыя вынікі паказваюць, што чыпы, якія імітуюць мозг, не толькі значна больш эфектыўныя, але і працуюць, выкарыстоўваючы неверагодна меншую магутнасць, чым сучасныя мікрачыпы.

Выкарыстоўваючы гэты ж падыход да мадэлявання мозгу, сам транзістар, праславуты будаўнічы блок мікрачыпа вашага кампутара, неўзабаве можа быць заменены на мемрыстар. Уступаючы ў эру «іонікі», мемрыстар прапануе шэраг цікавых пераваг у параўнанні з традыцыйным транзістарам:

Па-першае, мемрыстары могуць запомніць паток электронаў, які праходзіць праз іх, нават калі электрычнасць адключана. У перакладзе гэта азначае, што аднойчы вы зможаце ўключыць свой кампутар з той жа хуткасцю, што і ваша лямпачка.
Транзістары двайковыя, альбо 1s, альбо 0s. Мемрыстары, тым часам, могуць мець розныя станы паміж гэтымі крайнімі значэннямі, напрыклад, 0.25, 0.5, 0.747 і г.д. Гэта робіць мемрыстары падобнымі на працу сінапсаў у нашым мозгу, і гэта вельмі важна, бо гэта можа адкрыць шырокі спектр будучых вылічэнняў магчымасці.
Далей, мемрыстарам не патрэбны крэмній для функцыянавання, што адкрывае шлях паўправадніковай прамысловасці да эксперыментаў з выкарыстаннем новых матэрыялаў для далейшай мініяцюрызацыі мікрачыпаў (як было апісана раней).
Нарэшце, падобна да высноў, зробленых IBM і DARPA ў галіне нейраморфных вылічэнняў, мікрачыпы на аснове мемрыстараў працуюць хутчэй, спажываюць менш энергіі і могуць утрымліваць больш высокую шчыльнасць інфармацыі, чым чыпы, якія зараз прадстаўлены на рынку.

3d фішкі. Традыцыйныя мікрачыпы і транзістары, якія іх сілкуюць, працуюць на плоскай двухмернай плоскасці, але ў пачатку 2010-х паўправадніковыя кампаніі пачалі эксперыментаваць з даданнем трэцяга вымярэння сваім чыпам. Гэтыя новыя транзістары пад назвай "finFET" маюць канал, які выступае з паверхні чыпа, што дае ім лепшы кантроль над тым, што адбываецца ў іх каналах, што дазваляе ім працаваць амаль на 40 працэнтаў хутчэй і выкарыстоўваць палову энергіі. Недахопам, аднак, з'яўляецца тое, што гэтыя чыпы значна складаней (даражэй) вырабляць на дадзены момант.

Але за пераробкай асобных транзістараў будучыня 3d фішкі таксама імкнуцца аб'яднаць вылічэнні і захоўванне даных у вертыкальна складзеных пластах. У цяперашні час карты памяці традыцыйных кампутараў размяшчаюцца ў сантыметрах ад працэсара. Але дзякуючы інтэграцыі памяці і працэсарных кампанентаў гэтая адлегласць памяншаецца з сантыметраў да мікраметраў, што дазваляе істотна палепшыць хуткасць апрацоўкі і спажыванне энергіі.

Квантовыя вылічэнні. Гледзячы далей у будучыню, вялікі кавалак вылічэнняў карпаратыўнага ўзроўню можа працаваць у адпаведнасці з дзіўнымі законамі квантавай фізікі. Аднак з-за важнасці гэтага віду вылічэнняў мы далі яму асобную главу ў самым канцы гэтай серыі.

Супермікрачыпы - не вельмі добры бізнэс

Добра, тое, што вы прачыталі вышэй, усё добра - мы гаворым пра звышэнергаэфектыўныя мікрачыпы, створаныя па ўзоры чалавечага мозгу, якія могуць працаваць з хуткасцю святла, - але справа ў тым, што прамысловасць па вытворчасці паўправадніковых чыпаў не занадта імкнецца ператварыць гэтыя канцэпцыі ў масавую рэальнасць.

Тэхналагічныя гіганты, такія як Intel, Samsung і AMD, ужо ўклалі мільярды долараў на працягу дзесяцігоддзяў у вытворчасць традыцыйных мікрачыпаў на аснове крэмнія. Пераход да любой з новых канцэпцый, адзначаных вышэй, будзе азначаць адмову ад гэтых інвестыцый і дадатковыя выдаткі мільярдаў на будаўніцтва новых фабрык для масавай вытворчасці новых мадэляў мікрачыпаў з нулявым паслужным спісам продажаў.

Гэтыя паўправадніковыя кампаніі стрымліваюць не толькі час і грошы. Спажывецкі попыт на ўсё больш магутныя мікрачыпы таксама змяншаецца. Падумайце аб гэтым: на працягу 90-х і большай часткі 00-х было амаль што само сабой зразумела, што вы прадасце свой камп'ютар або тэлефон калі не кожны год, то праз год. Гэта дазволіць вам ісці ў нагу з усім новым праграмным забеспячэннем і праграмамі, якія з'яўляюцца, каб зрабіць ваш дом і працу прасцей і лепш. Як часта ў нашы дні вы пераходзіце на апошнюю мадэль працоўнага стала або ноўтбука на рынку?

Калі вы думаеце пра свой смартфон, у вас у кішэні тое, што яшчэ 20 гадоў таму лічылася суперкампутарам. Акрамя скаргаў на тэрмін службы акумулятара і памяць, большасць тэлефонаў, набытых з 2016 года, цалкам здольныя запускаць любое прыкладанне або мабільную гульню, трансляваць любое музычнае відэа ці непаслухмяны сеанс Facetiming з вашым SO, або больш за ўсё, што вы хацелі б зрабіць на сваім тэлефон. Ці сапраўды вам трэба штогод марнаваць 1,000 долараў або больш, каб рабіць гэтыя рэчы на 10-15 працэнтаў лепш? Вы хоць бы заўважылі розніцу?

Для большасці людзей адказ - не.

Будучыня закона Мура

У мінулым большасць інвестыцый у паўправадніковыя тэхналогіі паступала з выдаткаў на ваенную абарону. Затым яго замянілі вытворцы спажывецкай электронікі, і да 2020-2023 гг. асноўныя інвестыцыі ў далейшую распрацоўку мікрачыпаў зноў будуць перанесены, на гэты раз з галін, якія спецыялізуюцца на наступным:

Кантэнт наступнага пакалення. Будучае прадстаўленне галаграфічных прылад, прылад віртуальнай і дапоўненай рэальнасці для шырокай публікі падштурхне большы попыт на струменевую перадачу даных, асабліва па меры сталення гэтых тэхналогій і іх папулярнасці ў канцы 2020-х гадоў.
хмарныя вылічэнні. Тлумачэнне ў наступнай частцы гэтай серыі.
Аўтаномныя транспартныя сродкі. Па-нашаму растлумачана грунтоўна Будучыня транспарту серыі.
Інтэрнэт рэчаў. Тлумачыцца ў нашым Інтэрнэт рэчаў раздзел у нашай Будучыня Інтэрнэту серыі.
Вялікія дадзеныя і аналітыка. Арганізацыі, якім патрабуецца рэгулярная апрацоўка даных - напрыклад, вайскоўцы, даследаванні космасу, сіноптыкі, фармацэўтыка, матэрыяльна-тэхнічнае забеспячэнне і г.д. - будуць працягваць патрабаваць усё больш магутных камп'ютараў для аналізу іх пастаянна пашыраюцца набораў сабраных даных.

Фінансаванне даследаванняў і распрацовак мікрачыпаў наступнага пакалення будзе існаваць заўсёды, але пытанне ў тым, ці зможа ўзровень фінансавання, неабходны для больш складаных формаў мікрапрацэсараў, адпавядаць патрабаванням росту закону Мура. Улічваючы кошт пераходу і камерцыялізацыі новых формаў мікрачыпаў, у спалучэнні з запаволеннем спажывецкага попыту, будучым абмежаваннем дзяржаўнага бюджэту і эканамічнай рэцэсіяй, вялікая верагоднасць таго, што закон Мура замарудзіцца або ненадоўга спыніцца ў пачатку 2020-х гадоў, перш чым адновіцца да канца 2020-я, пачатак 2030-х гг.

Што ж тычыцца таго, чаму закон Мура зноў набярэ хуткасць, то давайце проста скажам, што мікрачыпы з турба-прывадамі - не адзіная рэвалюцыя, якая адбываецца ў канвееры вылічэнняў. Далей у нашай серыі «Будучыня кампутараў» мы даследуем тэндэнцыі, якія спрыяюць росту воблачных вылічэнняў.