Quantumrun

CRÈDIT DE LA IMATGE: Quantumrun

Una llei de Moore que s'esvaeix per provocar un replantejament fonamental dels microxips: el futur dels ordinadors P4

David Tal, editor, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Dimarts, 09/15/2020 - 15:39

Els ordinadors: són una cosa molt important. Però per apreciar realment les tendències emergents que hem insinuat fins ara a la nostra sèrie Future of Computers, també hem d'entendre les revolucions que s'esprinten pel canal computacional, o simplement: el futur dels microxips.

Per treure els conceptes bàsics del camí, hem d'entendre la Llei de Moore, l'ara famosa llei que el Dr. Gordon E. Moore va fundar el 1965. Essencialment, el que Moore es va adonar fa totes aquelles dècades és que el nombre de transistors en un circuit integrat es duplica. cada 18 a 24 mesos. És per això que el mateix ordinador que compreu avui per 1,000 dòlars us costarà 500 dòlars d'aquí a dos anys.

Durant més de cinquanta anys, la indústria dels semiconductors ha estat a l'altura de la línia de tendència composta d'aquesta llei, obrint el camí per als nous sistemes operatius, videojocs, vídeo en streaming, aplicacions mòbils i qualsevol altra tecnologia digital que ha definit la nostra cultura moderna. Però, tot i que la demanda d'aquest creixement sembla que es mantindrà constant durant mig segle més, el silici, el material de base amb què es construeixen tots els microxips moderns, no sembla que satisfà aquesta demanda durant molt més temps passat el 2021, segons el últim informe de la Full de ruta tecnològica internacional per a semiconductors (ITRS)

Realment és física: la indústria dels semiconductors està reduint els transistors a l'escala atòmica, una escala de silici aviat serà inadequada. I com més aquesta indústria intenti reduir el silici més enllà dels seus límits òptims, més cara serà l'evolució de cada microxip.

Aquí ens trobem avui. D'aquí a uns anys, el silici deixarà de ser un material rendible per construir la propera generació de microxips d'avantguarda. Aquest límit obligarà a una revolució en l'electrònica forçant la indústria (i la societat) dels semiconductors a triar entre algunes opcions:

La primera opció és frenar o acabar amb el costós desenvolupament per miniaturitzar encara més el silici, a favor de trobar noves maneres de dissenyar microxips que generin més potència de processament sense miniaturització addicional.
En segon lloc, trobar nous materials que es puguin manipular a escales molt més petites que el silici per introduir un nombre cada cop més gran de transistors en microxips encara més densos.
En tercer lloc, en lloc de centrar-se en la miniaturització o en les millores en l'ús d'energia, torneu a centrar-vos en la velocitat de processament mitjançant la creació de processadors especialitzats per a casos d'ús específics. Això podria significar que en lloc de tenir un xip generalista, els futurs ordinadors poden tenir un grup de xips especialitzats. Alguns exemples inclouen xips gràfics utilitzats per millorar els videojocs Presentació de Google del xip Tensor Processing Unit (TPU) especialitzat en aplicacions d'aprenentatge automàtic.
Finalment, dissenyeu un programari nou i una infraestructura de núvol que pugui funcionar de manera més ràpida i eficient sense necessitat de microxips més densos o més petits.

Quina opció triarà la nostra indústria tecnològica? Realment: tots.

La línia de vida de la llei de Moore

La llista següent és una breu visió de les innovacions a curt i llarg termini que utilitzaran els competidors de la indústria dels semiconductors per mantenir viva la llei de Moore. Aquesta part és una mica densa, però intentarem que sigui llegible.

nanomaterials. Les principals empreses de semiconductors, com Intel, ja han anunciat que ho faran gota de silici un cop arriben a escales de miniaturització de set nanòmetres (7nm). Els candidats a substituir el silici inclouen l'antimonur d'indi (InSb), l'arsenur d'indi gal·li (InGaAs) i el silici-germani (SiGe), però el material que està rebent més emoció sembla ser els nanotubs de carboni. Fabricats amb grafit, una pila composta del material meravellós, el grafè, els nanotubs de carboni es poden fer gruixuts, són extremadament conductors i es calcula que els futurs microxips siguin fins a cinc vegades més ràpids el 2020.

Informàtica òptica. Un dels majors reptes al voltant del disseny de xips és assegurar-se que els electrons no salten d'un transistor a un altre, una consideració que es fa infinitament més difícil un cop s'entra al nivell atòmic. La tecnologia emergent de la informàtica òptica busca substituir els electrons per fotons, de manera que la llum (no l'electricitat) passa de transistor a transistor. en 2017, els investigadors van fer un pas de gegant cap a aquest objectiu demostrant la capacitat d'emmagatzemar informació basada en la llum (fotons) com a ones sonores en un xip d'ordinador. Amb aquest enfocament, els microxips podrien funcionar a prop de la velocitat de la llum el 2025.

Espintrònica. Durant dues dècades de desenvolupament, els transistors espintrònics intenten utilitzar el "gir" d'un electró en lloc de la seva càrrega per representar informació. Encara que encara està molt lluny de la comercialització, si es resol, aquesta forma de transistor només necessitarà 10-20 mil·livolts per funcionar, centenars de vegades més petit que els transistors convencionals; això també eliminaria els problemes de sobreescalfament que tenen les empreses de semiconductors quan produeixen xips cada vegada més petits.

Informàtica neuromòrfica i memristors. Un altre enfocament nou per resoldre aquesta crisi de processament imminent es troba al cervell humà. Els investigadors d'IBM i DARPA, en particular, estan liderant el desenvolupament d'un nou tipus de microxip: un xip els circuits integrats del qual estan dissenyats per imitar l'enfocament més descentralitzat i no lineal del cervell per a la informàtica. (Mira això Article de ScienceBlogs per entendre millor les diferències entre el cervell humà i els ordinadors.) Els primers resultats indiquen que els xips que imiten el cervell no només són significativament més eficients, sinó que funcionen amb una potència increïblement menor que els microxips actuals.

Utilitzant aquest mateix enfocament de modelització del cervell, el transistor en si, el proverbial bloc de construcció del microxip del vostre ordinador, aviat pot ser substituït pel memristor. A l'inici de l'era "iònica", un memristor ofereix una sèrie d'avantatges interessants respecte al transistor tradicional:

En primer lloc, els memristors poden recordar el flux d'electrons que els passa, fins i tot si es talla l'alimentació. Traduït, això vol dir que algun dia podríeu encendre l'ordinador a la mateixa velocitat que la bombeta.
Els transistors són binaris, 1s o 0s. Mentrestant, els memristors poden tenir una varietat d'estats entre aquests extrems, com ara 0.25, 0.5, 0.747, etc. Això fa que els memristors funcionin de manera semblant a les sinapsis del nostre cervell, i això és un gran problema, ja que podria obrir un ventall de computació futura. possibilitats.
A continuació, els memristors no necessiten silici per funcionar, obrint el camí perquè la indústria dels semiconductors experimenti amb l'ús de nous materials per miniaturitzar encara més els microxips (com s'ha indicat anteriorment).
Finalment, de manera similar a les troballes realitzades per IBM i DARPA en informàtica neuromòrfica, els microxips basats en memristors són més ràpids, utilitzen menys energia i podrien contenir una densitat d'informació més alta que els xips que hi ha actualment al mercat.

xips 3D. Els microxips tradicionals i els transistors que els alimenten funcionen en un pla bidimensional, però a principis dels anys 2010, les empreses de semiconductors van començar a experimentar amb l'addició d'una tercera dimensió als seus xips. Anomenats "finFET", aquests nous transistors tenen un canal que s'aixeca de la superfície del xip, donant-los un millor control sobre el que passa als seus canals, cosa que els permet funcionar gairebé un 40 per cent més ràpid i funcionar amb la meitat de l'energia. L'inconvenient, però, és que aquests xips són significativament més difícils (costos) de produir en aquest moment.

Però més enllà de redissenyar els transistors individuals, futur xips 3D també pretén combinar la informàtica i l'emmagatzematge de dades en capes apilades verticalment. Ara mateix, els ordinadors tradicionals allotgen els seus llapis de memòria a centímetres del seu processador. Però en integrar la memòria i els components de processament, aquesta distància disminueix de centímetres a micròmetres, la qual cosa permet una millora gegant en la velocitat de processament i el consum d'energia.

Informàtica quàntica. Mirant cap al futur, una gran part de la informàtica a nivell empresarial podria funcionar sota les estranyes lleis de la física quàntica. Tanmateix, a causa de la importància d'aquest tipus d'informàtica, li vam donar el seu propi capítol al final d'aquesta sèrie.

Els súper microxips no són un bon negoci

D'acord, el que llegiu més amunt està molt bé, estem parlant de microxips ultra eficients energèticament modelats segons el cervell humà que poden córrer a la velocitat de la llum, però el cas és que la indústria de fabricació de xips de semiconductors no ho és. amb moltes ganes de convertir aquests conceptes en una realitat produïda en massa.

Els gegants tecnològics, com Intel, Samsung i AMD, ja han invertit milers de milions de dòlars durant dècades per produir microxips tradicionals basats en silici. Canviar a qualsevol dels nous conceptes esmentats anteriorment significaria descartar aquestes inversions i gastar milers de milions més en la construcció de noves fàbriques per produir en massa nous models de microxip que tinguin un historial de vendes de zero.

No és només la inversió de temps i diners el que frena aquestes empreses de semiconductors. La demanda dels consumidors de microxips cada cop més potents també està minvant. Penseu-hi: durant els anys 90 i la major part dels anys 00, era gairebé un fet que canvieu el vostre ordinador o telèfon, si no cada any, després cada dos anys. Això us permetria mantenir-vos al dia amb tot el nou programari i aplicacions que estaven sortint per fer la vostra vida a casa i a la feina més fàcil i millor. En aquests dies, amb quina freqüència actualitzeu a l'últim model d'escriptori o portàtil del mercat?

Quan penses en el teu telèfon intel·ligent, tens a la butxaca el que s'hauria considerat un superordinador fa només 20 anys. A part de les queixes sobre la durada de la bateria i la memòria, la majoria dels telèfons comprats des del 2016 són perfectament capaços d'executar qualsevol aplicació o joc mòbil, transmetre qualsevol vídeo musical o sessió de facetiming entremaliada amb el vostre SO, o la majoria de qualsevol altra cosa que vulgueu fer al vostre dispositiu. telèfon. Realment necessiteu gastar 1,000 dòlars o més cada any per fer aquestes coses un 10-15 per cent millor? Fins i tot notaries la diferència?

Per a la majoria de la gent, la resposta és no.

El futur de la llei de Moore

En el passat, la majoria dels fons d'inversió en tecnologia de semiconductors provenien de la despesa de defensa militar. A continuació, va ser substituït pels fabricants d'electrònica de consum i, entre 2020 i 2023, la inversió principal en el desenvolupament de microxips tornarà a canviar, aquesta vegada de les indústries especialitzades en el següent:

Contingut de nova generació. La propera introducció de dispositius hologràfics, virtuals i de realitat augmentada al públic en general estimularà una major demanda de transmissió de dades, especialment a mesura que aquestes tecnologies maduren i creixen en popularitat a finals de la dècada de 2020.
La computació en núvol. S'explica a la següent part d'aquesta sèrie.
Vehicles autònoms. Explicat a fons al nostre El futur del transport sèrie.
Internet de les coses. Explicat al nostre Internet de les Coses capítol al nostre El futur d'Internet sèrie.
Big data i analítica. Les organitzacions que requereixen una analítica regular de dades, com ara l'exèrcit, l'exploració espacial, els pronosticadors del temps, els productes farmacèutics, la logística, etc., continuaran exigint ordinadors cada cop més potents per analitzar els seus conjunts de dades recollides en constant expansió.

El finançament per a R+D en microxips de nova generació sempre existirà, però la qüestió és si el nivell de finançament necessari per a formes més complexes de microprocessadors pot mantenir-se al dia amb les demandes de creixement de la Llei de Moore. Tenint en compte el cost de canviar i comercialitzar noves formes de microxips, juntament amb la desacceleració de la demanda dels consumidors, les futures crisi pressupostàries del govern i les recessions econòmiques, és probable que la Llei de Moore s'alenti o s'aturi breument a principis de la dècada de 2020, abans de recuperar-se a finals. Anys 2020, principis de 2030.

Pel que fa a per què la Llei de Moore tornarà a augmentar la velocitat, bé, diguem que els microxips turbo-alimentats no són l'única revolució que s'acosta a la xarxa informàtica. A continuació, a la nostra sèrie Future of Computers, explorarem les tendències que alimenten el creixement de la computació en núvol.