Mooreov zakon koji blijedi da podstakne fundamentalno preispitivanje mikročipova: Budućnost kompjutera P4

Kompjuteri – oni su velika stvar. Ali da bismo zaista cijenili trendove u nastajanju koje smo do sada nagovijestili u našoj seriji Future of Computers, također moramo razumjeti revolucije koje trče niz računski cevovod, ili jednostavno: budućnost mikročipova.

Da bismo osnove sklonili s puta, moramo razumjeti Moorov zakon, sada poznati zakon koji je dr Gordon E. Moore osnovao 1965. U suštini, ono što je Moore shvatio prije svih tih decenija je da se broj tranzistora u integriranom kolu udvostručuje svakih 18 do 24 mjeseca. Zbog toga će vas isti računar koji danas kupite za 1,000 dolara koštati 500 dolara za dvije godine.

Više od pedeset godina, industrija poluprovodnika je pratila sveobuhvatnu liniju trenda ovog zakona, utirući put novim operativnim sistemima, video igricama, streaming videa, mobilnim aplikacijama i svakoj drugoj digitalnoj tehnologiji koja je definirala našu modernu kulturu. Ali dok se čini da će potražnja za ovim rastom ostati stabilna još pola stoljeća, silicijum – temeljni materijal od kojeg su izgrađeni svi moderni mikročipovi – ne izgleda kao da će zadovoljiti tu potražnju za mnogo duže protekle 2021. godine – prema posljednji izvještaj iz Međunarodna tehnološka mapa puta za poluprovodnike (ITRS)

To je zapravo fizika: industrija poluprovodnika smanjuje tranzistore na atomsku skalu, a silicij će uskoro biti neprikladan. I što više ova industrija pokušava da smanji silicijum preko njegovih optimalnih granica, to će svaka evolucija mikročipa postati skuplja.

Evo gdje smo danas. Za nekoliko godina, silicij više neće biti isplativ materijal za izradu sljedeće generacije vrhunskih mikročipova. Ovo ograničenje će prisiliti revoluciju u elektronici prisiljavajući industriju poluvodiča (i društvo) da bira između nekoliko opcija:

• Prva opcija je usporiti ili okončati skupi razvoj radi dalje minijaturizacije silicija, u korist pronalaženja novih načina za dizajn mikročipova koji generiraju više procesorske snage bez dodatne minijaturizacije.

• Drugo, pronađite nove materijale kojima se može manipulirati u daleko manjim razmjerima od silicija kako bi se sve veći broj tranzistora stavio u još gušće mikročipove.

• Treće, umjesto da se fokusirate na minijaturizaciju ili poboljšanja potrošnje energije, ponovo se fokusirajte na brzinu obrade kroz kreiranje procesora koji su specijalizirani za specifične slučajeve upotrebe. To bi moglo značiti umjesto jednog generalnog čipa, budući računari mogu imati klaster specijalizovanih čipova. Primjeri uključuju grafičke čipove koji se koriste za poboljšanje video igara Googleov uvod čipa Tensor Processing Unit (TPU) koji je specijalizovan za aplikacije mašinskog učenja.

• Konačno, dizajnirajte novi softver i infrastrukturu oblaka koji mogu raditi brže i efikasnije bez potrebe za gušćim/manjim mikročipovima.

Koju će opciju izabrati naša tehnološka industrija? Realno: sve.

Put spasa za Mooreov zakon

Sljedeća lista je kratak uvid u kratkoročne i dugoročne inovacije koje će konkurenti u industriji poluvodiča koristiti da bi održali Mooreov zakon živim. Ovaj dio je malo gust, ali pokušaćemo da bude čitljiv.

Nanomaterijali. Vodeće poluprovodničke kompanije, poput Intela, već su najavile da hoće kap silicijum kada dostignu minijaturizaciju od sedam nanometara (7 nm). Kandidati za zamjenu silicijuma uključuju indijum antimonid (InSb), indijum galij arsenid (InGaAs) i silicijum-germanijum (SiGe), ali čini se da su materijal koji izaziva najviše uzbuđenja ugljenične nanocevi. Napravljene od grafita – koji je sam kompozitni snop čudesnog materijala, grafena – ugljične nanocijevi mogu biti debele od atoma, izuzetno su provodljive i procjenjuje se da će buduće mikročipove učiniti pet puta bržim do 2020. godine.

Optičko računarstvo. Jedan od najvećih izazova oko dizajniranja čipova je osigurati da elektroni ne preskaču s jednog tranzistora na drugi – razmatranje koje postaje beskrajno teže kada uđete na atomski nivo. Nova tehnologija optičkog računarstva nastoji zamijeniti elektrone fotonima, pri čemu svjetlost (ne električna energija) prelazi sa tranzistora na tranzistor. u 2017, istraživači su napravili ogroman korak ka ovom cilju demonstrirajući sposobnost skladištenja informacija zasnovanih na svjetlosti (fotona) kao zvučnih valova na kompjuterskom čipu. Koristeći ovaj pristup, mikročipovi bi mogli raditi blizu brzine svjetlosti do 2025.

Spintronics. Tokom dvije decenije u razvoju, spintronički tranzistori pokušavaju da koriste 'spin' elektrona umjesto njegovog naboja za predstavljanje informacija. Iako je još daleko od komercijalizacije, ako se riješi, ovaj oblik tranzistora će trebati samo 10-20 milivolti za rad, stotine puta manje od konvencionalnih tranzistora; ovo bi takođe uklonilo probleme pregrijavanja sa kojima se poluprovodničke kompanije suočavaju kada proizvode sve manje čipove.

Neuromorfno računarstvo i memristori. Još jedan novi pristup rješavanju ove nadolazeće krize obrade leži u ljudskom mozgu. Istraživači u IBM-u i DARPA-i, posebno, predvode razvoj nove vrste mikročipa — čipa čija su integrirana kola dizajnirana da oponašaju decentraliziraniji i nelinearniji pristup mozga računalstvu. (Pogledajte ovo Članak ScienceBlogs kako bi bolje razumjeli razlike između ljudskog mozga i kompjutera.) Rani rezultati pokazuju da su čipovi koji oponašaju mozak ne samo značajno efikasniji, već rade koristeći nevjerovatno manju snagu od današnjih mikročipova.

Koristeći isti pristup modeliranju mozga, sam tranzistor, poslovični građevni blok mikročipa vašeg kompjutera, uskoro bi mogao biti zamijenjen memristorom. Uvodeći u eru „jonike“, memristor nudi niz zanimljivih prednosti u odnosu na tradicionalni tranzistor:

• Prvo, memristori mogu zapamtiti protok elektrona koji prolazi kroz njih - čak i ako se struja prekine. Prevedeno, to znači da ćete jednog dana moći da upalite računar istom brzinom kao i vaša sijalica.

• Tranzistori su binarni, bilo 1s ili 0s. Memristori, u međuvremenu, mogu imati različita stanja između tih ekstrema, kao što su 0.25, 0.5, 0.747, itd. Zbog toga memristori rade slično sinapsama u našem mozgu, a to je velika stvar jer bi to moglo otvoriti niz budućih računala. mogućnosti.

• Zatim, memristorima nije potreban silicij da bi funkcionirali, otvarajući put industriji poluvodiča da eksperimentira s korištenjem novih materijala za daljnju minijaturizaciju mikročipova (kao što je ranije navedeno).

• Konačno, slično otkrićima koje su donijeli IBM i DARPA u neuromorfnom računarstvu, mikročipovi bazirani na memristorima su brži, troše manje energije i mogu imati veću gustoću informacija od čipova koji su trenutno na tržištu.

3D čipovi. Tradicionalni mikročipovi i tranzistori koji ih pokreću rade na ravnoj, dvodimenzionalnoj ravni, ali početkom 2010-ih, poluvodičke kompanije počele su eksperimentirati s dodavanjem treće dimenzije svojim čipovima. Nazvani 'finFET', ovi novi tranzistori imaju kanal koji viri iz površine čipa, dajući im bolju kontrolu nad onim što se dešava u njihovim kanalima, omogućavajući im da rade skoro 40 posto brže i rade koristeći pola energije. Nedostatak je, međutim, što je ove čipove u ovom trenutku znatno teže (skupo) proizvesti.

Ali osim redizajniranja pojedinačnih tranzistora, budućnost 3D čipovi takođe imaju za cilj da kombinuju računarstvo i skladištenje podataka u vertikalno naslaganim slojevima. Upravo sada, tradicionalni računari imaju svoje memorijske kartice u centimetrima od svog procesora. Ali integracijom memorije i komponenti za obradu, ova udaljenost se smanjuje sa centimetara na mikrometre, omogućavajući ogromno poboljšanje u brzinama obrade i potrošnji energije.

Kvantno računarstvo. Gledajući dalje u budućnost, veliki deo računarstva na nivou preduzeća mogao bi da radi po čudnim zakonima kvantne fizike. Međutim, zbog važnosti ove vrste računarstva, dali smo mu posebno poglavlje na samom kraju ove serije.

Super mikročipovi nisu dobar posao

U redu, ono što ste pročitali iznad je sve u redu – govorimo o ultra energetski efikasnim mikročipovima po uzoru na ljudski mozak koji može da radi brzinom svjetlosti – ali stvar je u tome da industrija proizvodnje poluvodičkih čipova nije preterano željni da ove koncepte pretvore u masovno proizvedenu stvarnost.

Tehnološki divovi, poput Intela, Samsunga i AMD-a, već su uložili milijarde dolara tokom decenija u proizvodnju tradicionalnih mikročipova baziranih na silikonu. Prelazak na bilo koji od gore navedenih novih koncepata značio bi odustajanje od tih investicija i trošenje milijardi više na izgradnju novih tvornica za masovnu proizvodnju novih modela mikročipova koji imaju nulte rezultate u prodaji.

Nije samo ulaganje vremena i novca ono što sputava ove poluprovodničke kompanije. Potražnja potrošača za sve snažnijim mikročipovima također je na nestanku. Razmislite o tome: tokom 90-ih i većine 00-ih, bilo je gotovo uobičajeno da ćete trgovati svojim računarom ili telefonom, ako ne svake godine, onda svake druge godine. To bi vam omogućilo da budete u toku sa svim novim softverima i aplikacijama koji su izlazili kako bi vaš dom i posao učinili lakšim i boljim. Koliko često ovih dana vršite nadogradnju na najnoviji model desktop ili laptop računara na tržištu?

Kada pomislite na svoj pametni telefon, u džepu imate ono što bi se prije samo 20 godina smatralo superkompjuterom. Osim pritužbi na trajanje baterije i memoriju, većina telefona kupljenih od 2016. savršeno je sposobna pokrenuti bilo koju aplikaciju ili mobilnu igricu, streamati bilo koji muzički video ili nestašnu sesiju facetiminga s vašim SO, ili gotovo bilo šta drugo što biste željeli raditi na svom telefon. Da li zaista trebate potrošiti 1,000 dolara ili više svake godine da biste ove stvari učinili 10-15 posto bolje? Da li biste uopće primijetili razliku?

Za većinu ljudi, odgovor je ne.

Budućnost Mooreovog zakona

U prošlosti je većina ulaganja u tehnologiju poluvodiča dolazila iz vojnih izdataka za odbranu. Tada su ga zamijenili proizvođači potrošačke elektronike, a do 2020.-2023., vodeće ulaganje u daljnji razvoj mikročipova ponovo će se prebaciti, ovaj put iz industrija specijaliziranih za sljedeće:

• Sadržaj sljedeće generacije. Predstojeće uvođenje holografskih, virtuelnih uređaja i uređaja proširene stvarnosti široj javnosti podstaći će veću potražnju za strimingom podataka, posebno kako ove tehnologije sazrevaju i postaju sve popularnije krajem 2020-ih.

• Cloud computing. Objašnjeno u sljedećem dijelu ove serije.

• Autonomna vozila. Detaljno objašnjeno u našem Budućnost transporta serija.

• Internet stvari. Objašnjeno u našem Internet of Things poglavlje u našem Budućnost interneta serija.

• Veliki podaci i analitika. Organizacije koje zahtijevaju redovno prikupljanje podataka – na primjer vojska, istraživanje svemira, prognostičari, farmacija, logistika, itd. – nastavit će zahtijevati sve moćnije kompjutere za analizu svojih sve širih skupova prikupljenih podataka.

Finansiranje istraživanja i razvoja mikročipova sljedeće generacije uvijek će postojati, ali pitanje je da li nivo finansiranja potreban za složenije oblike mikroprocesora može pratiti zahtjeve rasta Murovog zakona. S obzirom na cijenu prelaska na i komercijalizaciju novih oblika mikročipova, zajedno sa usporavanjem potražnje potrošača, budućim kršenjem državnog budžeta i ekonomskom recesijom, velike su šanse da će Mooreov zakon usporiti ili nakratko zaustaviti početkom 2020-ih, prije nego što se ponovo aktivira do kasno 2020-ih, ranih 2030-ih.

Što se tiče razloga zašto će Mooreov zakon ponovo dobiti brzinu, recimo da mikročipovi na turbo pogon nisu jedina revolucija koja dolazi niz kompjuterski cevovod. Sljedeće u našoj seriji Future of Computers, istražit ćemo trendove koji potiču rast računalstva u oblaku.

Future of Computers serija

Nova korisnička sučelja za redefiniranje čovječanstva: Budućnost kompjutera P1

Budućnost razvoja softvera: Budućnost računara P2

Revolucija digitalnog skladištenja: Budućnost računara P3

Računarstvo u oblaku postaje decentralizovano: budućnost računara P5

Zašto se zemlje takmiče u izgradnji najvećih superkompjutera? Budućnost računara P6

Kako će kvantni računari promijeniti svijet: Budućnost računara P7