Quantumrun

KREDIT OBRAZU: Quantumrun

Slábnoucí Moorův zákon, který podnítí zásadní přehodnocení mikročipů: Budoucnost počítačů P4

David Tal, vydavatel, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Út, 09/15/2020 - 15:39

Počítače – jsou tak trochu velkým problémem. Abychom však skutečně ocenili vznikající trendy, které jsme doposud naznačili v naší sérii Future of Computers, musíme také porozumět revolucím sprintujícím ve výpočetním potrubí, nebo jednoduše: budoucnosti mikročipů.

Abychom dostali z cesty základy, musíme porozumět Moorovu zákonu, nyní slavnému zákonu, který Dr. Gordon E. Moore založil v roce 1965. V podstatě si Moore před všemi těmi desítkami let uvědomil, že počet tranzistorů v integrovaném obvodu se zdvojnásobí. každých 18 až 24 měsíců. To je důvod, proč stejný počítač, který si dnes koupíte za 1,000 500 USD, vás za dva roky bude stát XNUMX USD.

Již více než padesát let se polovodičový průmysl drží trendové linie tohoto zákona a připravuje půdu pro nové operační systémy, videohry, streamované video, mobilní aplikace a všechny další digitální technologie, které definovaly naši moderní kulturu. Ale zatímco se zdá, že poptávka po tomto růstu zůstane stabilní ještě další půl století, křemík – základní materiál, ze kterého jsou vyrobeny všechny moderní mikročipy – se nezdá, že by uspokojil tuto poptávku po mnohem delší dobu, než bude rok 2021 – podle poslední zpráva z Mezinárodní technologický plán pro polovodiče (ITRS)

Je to skutečně fyzika: polovodičový průmysl zmenšuje tranzistory na atomové měřítko, křemík v měřítku bude brzy nevhodný. A čím více se toto odvětví snaží zmenšit křemík za jeho optimální limity, tím dražší bude každý vývoj mikročipu.

Tady jsme dnes. Za několik let již křemík nebude nákladově efektivním materiálem pro výrobu nové generace špičkových mikročipů. Tento limit vynutí revoluci v elektronice tím, že donutí polovodičový průmysl (a společnost) vybrat si z několika možností:

První možností je zpomalit nebo ukončit nákladný vývoj pro další miniaturizaci křemíku ve prospěch hledání nových způsobů, jak navrhnout mikročipy, které generují větší výpočetní výkon bez další miniaturizace.
Zadruhé, najít nové materiály, se kterými lze manipulovat v mnohem menších měřítcích než křemík, aby bylo možné nacpat stále větší počet tranzistorů do ještě hustších mikročipů.
Zatřetí, místo zaměření na miniaturizaci nebo vylepšení spotřeby energie se znovu zaměřte na rychlost zpracování prostřednictvím vytváření procesorů, které jsou specializované na konkrétní případy použití. To by mohlo znamenat, že namísto jednoho univerzálního čipu mohou budoucí počítače mít shluk specializovaných čipů. Příklady zahrnují grafické čipy používané k vylepšení videoher Úvod společnosti Google čipu Tensor Processing Unit (TPU), který se specializuje na aplikace strojového učení.
Nakonec navrhněte nový software a cloudovou infrastrukturu, která může fungovat rychleji a efektivněji, aniž by potřebovala hustší/menší mikročipy.

Jakou možnost zvolí náš technologický průmysl? Realisticky: všechny.

Záchranné lano pro Mooreův zákon

Následující seznam je krátkým pohledem na krátkodobé a dlouhodobé inovace, které konkurenti v polovodičovém průmyslu použijí k udržení Moorova zákona při životě. Tato část je trochu hutná, ale pokusíme se, aby byla čtivá.

nanomateriály. Přední polovodičové společnosti, jako je Intel, již oznámily, že budou kapka křemíku jakmile dosáhnou miniaturizačních měřítek sedmi nanometrů (7nm). Mezi kandidáty na nahrazení křemíku patří antimonid india (InSb), arsenid india a galia (InGaAs) a křemík-germanium (SiGe), ale materiálem, který je podle všeho nejvíce vzrušený, jsou uhlíkové nanotrubice. Uhlíkové nanotrubice vyrobené z grafitu – samotného složeného svazku zázračného materiálu, grafenu – mohou mít tloušťku atomů, jsou extrémně vodivé a odhaduje se, že budoucí mikročipy budou do roku 2020 až pětkrát rychlejší.

Optické výpočty. Jednou z největších výzev při navrhování čipů je zajistit, aby elektrony nepřeskakovaly z jednoho tranzistoru na druhý – což je otázka, která je nekonečně těžší, jakmile vstoupíte na atomovou úroveň. Vznikající technologie optických výpočtů se snaží nahradit elektrony fotony, přičemž světlo (nikoli elektřina) prochází z tranzistoru na tranzistor. v 2017, vědci udělali obrovský krok k tomuto cíli tím, že prokázali schopnost ukládat světelné informace (fotony) jako zvukové vlny na počítačový čip. Pomocí tohoto přístupu by mikročipy mohly do roku 2025 fungovat blízko rychlosti světla.

Spintronika. Přes dvě desetiletí vývoje se spintronické tranzistory pokoušejí k reprezentaci informace použít „rotování“ elektronu místo jeho náboje. I když je tato forma tranzistoru stále ještě daleko od komercializace, pokud bude vyřešena, bude k provozu potřebovat pouze 10-20 milivoltů, což je stokrát méně než konvenční tranzistory; tím by se také odstranily problémy s přehříváním, kterým čelí polovodičové společnosti při výrobě stále menších čipů.

Neuromorfní výpočty a memristory. Další nový přístup k řešení této hrozící krize zpracování spočívá v lidském mozku. Zejména výzkumníci z IBM a DARPA vedou vývoj nového druhu mikročipu – čipu, jehož integrované obvody jsou navrženy tak, aby napodobovaly decentralizovanější a nelineární přístup mozku k práci s počítači. (Podívejte se na to Článek na ScienceBlogs pro lepší pochopení rozdílů mezi lidským mozkem a počítači.) První výsledky naznačují, že čipy, které napodobují mozek, jsou nejen výrazně efektivnější, ale pracují s neuvěřitelně nižším příkonem než současné mikročipy.

Pomocí stejného přístupu modelování mozku může být samotný tranzistor, pověstný stavební kámen mikročipu vašeho počítače, brzy nahrazen memristorem. Memristor, který zahajuje éru „ioniky“, nabízí oproti tradičnímu tranzistoru řadu zajímavých výhod:

Za prvé, memristory si mohou pamatovat tok elektronů, který jimi prochází – i když dojde k výpadku proudu. V překladu to znamená, že jednoho dne byste mohli zapnout počítač stejnou rychlostí jako žárovka.
Tranzistory jsou binární, buď 1s nebo 0s. Mezitím memristory mohou mít různé stavy mezi těmito extrémy, například 0.25, 0.5, 0.747 atd. Díky tomu fungují memristory podobně jako synapse v našem mozku, a to je velký problém, protože by to mohlo otevřít řadu budoucích výpočetních systémů. možnosti.
Dále, memristory ke svému fungování nepotřebují křemík, což otevírá cestu pro polovodičový průmysl k experimentování s použitím nových materiálů k další miniaturizaci mikročipů (jak bylo nastíněno dříve).
Konečně, podobně jako zjištění IBM a DARPA v oblasti neuromorfních výpočtů, mikročipy založené na memristorech jsou rychlejší, spotřebovávají méně energie a mohou mít vyšší hustotu informací než čipy, které jsou v současnosti na trhu.

3D čipy. Tradiční mikročipy a tranzistory, které je pohánějí, fungují na ploché, dvourozměrné rovině, ale na začátku roku 2010 začaly polovodičové společnosti experimentovat s přidáním třetího rozměru do svých čipů. Tyto nové tranzistory nazývané „finFET“ mají kanál, který vyčnívá z povrchu čipu, což jim dává lepší kontrolu nad tím, co se děje v jejich kanálech, což jim umožňuje běžet téměř o 40 procent rychleji a pracovat s poloviční energií. Nevýhodou však je, že tyto čipy jsou v současnosti výrazně náročnější (nákladnější) na výrobu.

Ale kromě přepracování jednotlivých tranzistorů, budoucnost 3D čipy Cílem je také kombinovat výpočetní techniku a ukládání dat ve vertikálně naskládaných vrstvách. Právě teď mají tradiční počítače své paměťové karty centimetry od procesoru. Ale integrací paměti a komponent pro zpracování se tato vzdálenost sníží z centimetrů na mikrometry, což umožňuje obrovské zlepšení rychlosti zpracování a spotřeby energie.

Kvantové výpočty. Podíváme-li se dále do budoucnosti, velká část výpočetní techniky na podnikové úrovni by mohla fungovat podle podivných zákonů kvantové fyziky. Vzhledem k důležitosti tohoto druhu počítání jsme mu však dali vlastní kapitolu až na samém konci této série.

Super mikročipy nejsou dobrý byznys

Dobře, to, co jste si přečetli výše, je v pořádku – mluvíme o ultra energeticky účinných mikročipech modelovaných podle lidského mozku, které mohou běžet rychlostí světla – ale jde o to, že průmysl výroby polovodičových čipů není příliš dychtiví přeměnit tyto koncepty v masově vyráběnou realitu.

Techničtí giganti, jako jsou Intel, Samsung a AMD, již v průběhu desetiletí investovali miliardy dolarů do výroby tradičních mikročipů na bázi křemíku. Přechod na kterýkoli z výše uvedených nových konceptů by znamenal zrušení těchto investic a další miliardy utrácení na výstavbu nových továren na hromadnou výrobu nových modelů mikročipů, které mají nulový prodej.

Nejsou to jen časové a finanční investice, které tyto polovodičové společnosti brzdí. Spotřebitelská poptávka po stále výkonnějších mikročipech rovněž klesá. Přemýšlejte o tom: Během 90. let a většiny 00. let bylo téměř samozřejmostí, že budete obchodovat se svým počítačem nebo telefonem, když ne každý rok, tak každý druhý rok. To vám umožní držet krok se vším novým softwarem a aplikacemi, které vycházely, aby vám usnadnily a zkvalitnily váš domov a práci. Jak často v dnešní době upgradujete na nejnovější model stolního počítače nebo notebooku na trhu?

Když přemýšlíte o svém smartphonu, máte v kapse něco, co by se ještě před 20 lety považovalo za superpočítač. Kromě stížností na výdrž baterie a paměti je většina telefonů zakoupených od roku 2016 dokonale schopná spustit jakoukoli aplikaci nebo mobilní hru, streamovat jakékoli hudební video nebo nezbednou relaci facetimingu s vaším SO nebo cokoli jiného, co byste chtěli na svém telefon. Opravdu potřebujete každý rok utratit 1,000 10 $ nebo více, abyste dělali tyto věci o 15-XNUMX procent lépe? Všimli byste si vůbec rozdílu?

Pro většinu lidí je odpověď ne.

Budoucnost Moorova zákona

V minulosti většina investic do polovodičových technologií pocházela z vojenských výdajů na obranu. Poté jej nahradili výrobci spotřební elektroniky a do roku 2020–2023 se hlavní investice do dalšího vývoje mikročipů opět přesunou, tentokrát z odvětví specializujících se na následující odvětví:

Obsah příští generace. Nadcházející představení holografických zařízení, virtuálních zařízení a zařízení s rozšířenou realitou široké veřejnosti podnítí větší poptávku po datovém streamování, zejména s tím, jak tyto technologie dospívají a roste jejich popularita koncem roku 2020.
Cloud computing. Vysvětleno v další části této série.
Autonomní vozidla. Důkladně vysvětleno v našem Budoucnost dopravy série.
Internet věcí. Vysvětleno v našem Internet věcí kapitola v našem Budoucnost internetu série.
Velká data a analytika. Organizace, které vyžadují pravidelné shromažďování dat – například armáda, vesmírný průzkum, meteorologové, farmacie, logistika atd. – budou i nadále vyžadovat stále výkonnější počítače k analýze jejich stále se rozšiřujících souborů shromážděných dat.

Financování výzkumu a vývoje mikročipů nové generace bude vždy existovat, ale otázkou je, zda úroveň financování potřebná pro složitější formy mikroprocesorů dokáže držet krok s růstovými požadavky Moorova zákona. Vzhledem k nákladům na přechod na nové formy mikročipů a jejich komercializaci spolu se zpomalující poptávkou spotřebitelů, budoucími vládními rozpočtovými krizí a ekonomickou recesí je pravděpodobné, že se Moorův zákon na začátku roku 2020 nakrátko zpomalí nebo zastaví, než se později obnoví. 2020, začátek 2030.

Pokud jde o to, proč Moorův zákon znovu nabere na rychlosti, řekněme, že mikročipy s turbodmychadlem nejsou jedinou revolucí, která přichází ve výpočetním potrubí. Dále v naší sérii Future of Computers prozkoumáme trendy, které podporují růst cloud computingu.