Cwantwmrun

CREDYD DELWEDD: Cwantwmrun

Cyfraith Moore sy'n pylu i ysgogi ailfeddwl sylfaenol am ficrosglodion: Dyfodol Cyfrifiaduron P4

David Tal, Cyhoeddwr, Dyfodolwr
@DavidTalWrites
LinkedIn

Dydd Mawrth, 09/15/2020 - 15:39

Cyfrifiaduron - maen nhw'n dipyn o beth. Ond i wir werthfawrogi'r tueddiadau sy'n dod i'r amlwg yr ydym wedi'u hawgrymu hyd yn hyn yn ein cyfres Future of Computers, mae angen i ni hefyd ddeall y chwyldroadau sy'n gwibio i lawr y biblinell gyfrifiannol, neu'n syml: dyfodol microsglodion.

Er mwyn cael y pethau sylfaenol allan o'r ffordd, mae'n rhaid i ni ddeall Cyfraith Moore, y gyfraith sydd bellach yn enwog sefydlodd Dr Gordon E. Moore ym 1965. Yn y bôn, yr hyn a sylweddolodd Moore yr holl ddegawdau hynny yn ôl yw bod nifer y transistorau mewn cylched integredig yn dyblu bob 18 i 24 mis. Dyma pam y bydd yr un cyfrifiadur rydych chi'n ei brynu heddiw am $1,000 yn costio $500 i chi ddwy flynedd o nawr.

Ers dros hanner can mlynedd, mae'r diwydiant lled-ddargludyddion wedi byw hyd at duedd gyfansawdd y gyfraith hon, gan baratoi'r ffordd ar gyfer y systemau gweithredu newydd, gemau fideo, ffrydio fideo, apiau symudol, a phob technoleg ddigidol arall sydd wedi diffinio ein diwylliant modern. Ond er bod y galw am y twf hwn yn ymddangos fel y bydd yn aros yn gyson am hanner canrif arall eto, nid yw silicon - y deunydd craigwely y mae pob microsglodyn modern yn cael ei adeiladu ag ef - yn ymddangos fel y bydd yn cwrdd â'r galw hwnnw am lawer hirach o basio 2021 - yn ôl y adroddiad diweddaf o'r Map Technoleg Rhyngwladol ar gyfer Lled-ddargludyddion (ITRS)

Mae'n ffiseg mewn gwirionedd: mae'r diwydiant lled-ddargludyddion yn crebachu transistorau i'r raddfa atomig, bydd silicon graddfa yn anaddas ar ei gyfer yn fuan. A pho fwyaf y mae'r diwydiant hwn yn ceisio crebachu silicon y tu hwnt i'w derfynau gorau posibl, y mwyaf costus y bydd pob esblygiad microsglodyn yn dod.

Dyma lle rydyn ni heddiw. Mewn ychydig flynyddoedd, ni fydd silicon bellach yn ddeunydd cost-effeithiol i adeiladu'r genhedlaeth nesaf o ficrosglodion blaengar. Bydd y terfyn hwn yn gorfodi chwyldro mewn electroneg trwy orfodi'r diwydiant lled-ddargludyddion (a chymdeithas) i ddewis rhwng ychydig o opsiynau:

Y dewis cyntaf yw arafu, neu ddod â datblygiad costus i ben er mwyn miniatureiddio silicon ymhellach, o blaid dod o hyd i ffyrdd newydd o ddylunio microsglodion sy'n cynhyrchu mwy o bŵer prosesu heb finiatureiddio ychwanegol.
Yn ail, dewch o hyd i ddeunyddiau newydd y gellir eu trin ar raddfeydd llawer llai na silicon i stwffio niferoedd cynyddol o transistorau yn ficrosglodion dwysach.
Yn drydydd, yn hytrach na chanolbwyntio ar finiatureiddio neu welliannau defnydd pŵer, ailffocysu ar gyflymder prosesu trwy greu proseswyr sy'n arbenigo ar gyfer achosion defnydd penodol. Gallai hyn olygu yn lle cael un sglodyn cyffredinol, efallai y bydd gan gyfrifiaduron y dyfodol glwstwr o sglodion arbenigol. Mae enghreifftiau yn cynnwys sglodion graffeg a ddefnyddir i wella gemau fideo i Cyflwyniad Google o'r sglodyn Uned Prosesu Tensor (TPU) sy'n arbenigo mewn cymwysiadau dysgu peiriannau.
Yn olaf, dyluniwch feddalwedd newydd a seilwaith cwmwl a all weithredu'n gyflymach ac yn fwy effeithlon heb fod angen microsglodion dwysach/llai.

Pa opsiwn fydd ein diwydiant technoleg yn ei ddewis? Yn realistig: pob un ohonynt.

Y achubiaeth i Gyfraith Moore

Mae'r rhestr ganlynol yn gipolwg byr ar y datblygiadau arloesol tymor hir a thymor hir y bydd cystadleuwyr o fewn y diwydiant lled-ddargludyddion yn eu defnyddio i gadw Cyfraith Moore yn fyw. Mae'r rhan hon ychydig yn drwchus, ond byddwn yn ceisio ei chadw'n ddarllenadwy.

nanomaterials. Mae cwmnïau lled-ddargludyddion blaenllaw, fel Intel, eisoes wedi cyhoeddi y byddant yn gwneud hynny gollwng silicon unwaith y byddant yn cyrraedd graddfeydd miniaturization o saith nanometr (7nm). Mae ymgeiswyr i ddisodli silicon yn cynnwys indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), a silicon-germanium (SiGe) ond mae'n ymddangos mai'r deunydd sy'n cael y cyffro mwyaf yw nanotiwbiau carbon. Wedi'u gwneud o graffit - ei hun yn bentwr cyfansawdd o'r deunydd rhyfeddod, graphene - gellir gwneud nanotiwbiau carbon yn atomau'n drwchus, maent yn ddargludol iawn, ac amcangyfrifir y byddant yn gwneud microsglodion yn y dyfodol hyd at bum gwaith yn gyflymach erbyn 2020.

Cyfrifiadura optegol. Un o'r heriau mwyaf sy'n gysylltiedig â dylunio sglodion yw sicrhau nad yw electronau'n symud o un transistor i'r llall - ystyriaeth sy'n mynd yn anfeidrol anoddach ar ôl i chi fynd i mewn i'r lefel atomig. Mae'r dechnoleg sy'n dod i'r amlwg o gyfrifiadura optegol yn ceisio disodli electronau â ffotonau, lle mae golau (nid trydan) yn cael ei drosglwyddo o'r transistor i'r transistor. yn 2017, cymerodd ymchwilwyr gam mawr tuag at y nod hwn trwy ddangos y gallu i storio gwybodaeth seiliedig ar olau (ffotonau) fel tonnau sain ar sglodyn cyfrifiadur. Gan ddefnyddio’r dull hwn, gallai microsglodion weithredu’n agos at gyflymder golau erbyn 2025.

Spintronics. Dros ddau ddegawd mewn datblygiad, mae transistorau sbintronig yn ceisio defnyddio 'sbin' electron yn lle ei wefr i gynrychioli gwybodaeth. Er ei fod yn dal i fod ymhell o fasnacheiddio, os caiff ei ddatrys, dim ond 10-20 milifolt y bydd angen y math hwn o dransistor i'w weithredu, gannoedd o weithiau'n llai na'r transistorau confensiynol; byddai hyn hefyd yn dileu'r problemau gorboethi y mae cwmnïau lled-ddargludyddion yn eu hwynebu wrth gynhyrchu sglodion llai fyth.

Cyfrifiadura niwromorffig a memristors. Mae dull newydd arall o ddatrys yr argyfwng prosesu hwn sydd ar ddod yn gorwedd yn yr ymennydd dynol. Mae ymchwilwyr yn IBM a DARPA, yn arbennig, yn arwain datblygiad math newydd o ficrosglodyn - sglodyn y mae ei gylchedau integredig wedi'u cynllunio i ddynwared ymagwedd fwy datganoledig ac aflinol yr ymennydd at gyfrifiadura. (Edrychwch ar hwn Erthygl ScienceBlogs i ddeall yn well y gwahaniaethau rhwng yr ymennydd dynol a chyfrifiaduron.) Mae canlyniadau cynnar yn dangos bod sglodion sy'n dynwared yr ymennydd nid yn unig yn llawer mwy effeithlon, ond maent yn gweithredu gan ddefnyddio llai o watedd na microsglodion heddiw.

Gan ddefnyddio'r un dull modelu ymennydd hwn, mae'n bosibl y bydd y memristor ei hun yn cymryd lle'r transistor ei hun, sef bloc adeiladu diarhebol microsglodyn eich cyfrifiadur. Gan dywys yn yr oes “ïonig”, mae memristor yn cynnig nifer o fanteision diddorol dros y transistor traddodiadol:

Yn gyntaf, gall aelodau gofio'r llif electronau sy'n mynd trwyddynt - hyd yn oed os yw pŵer yn cael ei dorri. Wedi'i gyfieithu, mae hyn yn golygu un diwrnod y gallech chi droi eich cyfrifiadur ymlaen ar yr un cyflymder â'ch bwlb golau.
Mae transistorau yn ddeuaidd, naill ai 1s neu 0s. Yn y cyfamser, gall memristors gael amrywiaeth o gyflyrau rhwng yr eithafion hynny, fel 0.25, 0.5, 0.747, ac ati. posibiliadau.
Nesaf, nid oes angen silicon ar aelodau i weithredu, gan agor y llwybr i'r diwydiant lled-ddargludyddion arbrofi â defnyddio deunyddiau newydd i leihau microsglodion ymhellach (fel yr amlinellwyd yn gynharach).
Yn olaf, yn debyg i'r canfyddiadau a wnaed gan IBM a DARPA i gyfrifiadura niwromorffig, mae microsglodion sy'n seiliedig ar femristors yn gyflymach, yn defnyddio llai o ynni, a gallent ddal dwysedd gwybodaeth uwch na sglodion sydd ar y farchnad ar hyn o bryd.

Sglodion 3D. Mae microsglodion traddodiadol a'r transistorau sy'n eu pweru yn gweithredu ar awyren fflat, dau-ddimensiwn, ond yn gynnar yn y 2010au, dechreuodd cwmnïau lled-ddargludyddion arbrofi gydag ychwanegu trydydd dimensiwn i'w sglodion. O'r enw 'finFET', mae gan y transistorau newydd hyn sianel sy'n glynu o wyneb y sglodion, gan roi gwell rheolaeth iddynt dros yr hyn sy'n digwydd yn eu sianeli, gan ganiatáu iddynt redeg bron i 40 y cant yn gyflymach, a gweithredu gan ddefnyddio hanner yr ynni. Yr anfantais, fodd bynnag, yw bod y sglodion hyn yn llawer anoddach (costus) i'w cynhyrchu ar hyn o bryd.

Ond y tu hwnt i ailgynllunio'r transistorau unigol, dyfodol Sglodion 3D hefyd anelu at gyfuno cyfrifiadura a storio data mewn haenau wedi'u pentyrru'n fertigol. Ar hyn o bryd, mae cyfrifiaduron traddodiadol yn cadw eu cofbinnau centimetrau oddi wrth ei brosesydd. Ond trwy integreiddio'r cydrannau cof a phrosesu, mae'r pellter hwn yn disgyn o gentimetrau i ficrometrau, gan alluogi gwelliant enfawr mewn cyflymder prosesu a'r defnydd o ynni.

Cyfrifiadura cwantwm. Gan edrych ymhellach i'r dyfodol, gallai llawer iawn o gyfrifiadura lefel menter weithredu o dan gyfreithiau ffiseg cwantwm brawychus. Fodd bynnag, oherwydd pwysigrwydd y math hwn o gyfrifiadura, rhoesom ei phennod ei hun iddi ar ddiwedd y gyfres hon.

Nid yw microsglodion super yn fusnes da

Iawn, felly mae'r hyn a ddarllenwch uchod i gyd yn iawn ac yn dda—rydym yn sôn am ficrosglodion ynni-effeithlon iawn wedi'u modelu ar ôl yr ymennydd dynol a all redeg ar gyflymder golau—ond y peth yw, nid yw'r diwydiant gwneud sglodion lled-ddargludyddion yn wir. yn rhy awyddus i droi'r cysyniadau hyn yn realiti wedi'i fasgynhyrchu.

Mae cewri technoleg, fel Intel, Samsung, ac AMD, eisoes wedi buddsoddi biliynau o ddoleri dros ddegawdau i gynhyrchu microsglodion traddodiadol, seiliedig ar silicon. Byddai symud i unrhyw un o’r cysyniadau newydd a nodir uchod yn golygu dileu’r buddsoddiadau hynny a gwario biliynau yn fwy ar adeiladu ffatrïoedd newydd i fasgynhyrchu modelau microsglodyn newydd sydd â hanes gwerthiant o sero.

Nid y buddsoddiad amser ac arian yn unig sy'n dal y cwmnïau lled-ddargludyddion hyn yn ôl. Mae galw defnyddwyr am ficrosglodion mwy pwerus hefyd ar drai. Meddyliwch am y peth: Yn ystod y 90au a'r rhan fwyaf o'r 00au, roedd hi bron yn ganiataol y byddech chi'n masnachu yn eich cyfrifiadur neu'ch ffôn, os nad bob blwyddyn, yna bob yn ail flwyddyn. Byddai hyn yn caniatáu ichi gadw i fyny â'r holl feddalwedd a chymwysiadau newydd a oedd yn dod allan i wneud eich bywyd cartref a gwaith yn haws ac yn well. Y dyddiau hyn, pa mor aml ydych chi'n uwchraddio i'r model bwrdd gwaith neu liniadur diweddaraf ar y farchnad?

Pan feddyliwch am eich ffôn clyfar, mae gennych chi yn eich poced yr hyn a fyddai wedi cael ei ystyried yn uwchgyfrifiadur dim ond 20 mlynedd yn ôl. Ar wahân i gwynion am fywyd batri a chof, mae'r rhan fwyaf o ffonau a brynwyd ers 2016 yn berffaith abl i redeg unrhyw ap neu gêm symudol, ffrydio unrhyw fideo cerddoriaeth neu sesiwn amseru wyneb drwg gyda'ch SO, neu'r rhan fwyaf o unrhyw beth arall yr hoffech ei wneud ar eich ffôn. A oes gwir angen i chi wario $1,000 neu fwy bob blwyddyn i wneud y pethau hyn 10-15 y cant yn well? A fyddech chi hyd yn oed yn sylwi ar y gwahaniaeth?

I'r rhan fwyaf o bobl, yr ateb yw na.

Dyfodol Cyfraith Moore

Yn y gorffennol, daeth y rhan fwyaf o gyllid buddsoddi mewn technoleg lled-ddargludyddion o wariant amddiffyn milwrol. Yna fe'i disodlwyd gan weithgynhyrchwyr electroneg defnyddwyr, ac erbyn 2020-2023, bydd buddsoddiad blaenllaw i ddatblygiad microsglodion pellach yn symud eto, y tro hwn o ddiwydiannau sy'n arbenigo yn y canlynol:

Cynnwys Next-Gen. Bydd cyflwyno dyfeisiau realiti holograffig, rhithwir ac estynedig i'r cyhoedd yn gyffredinol yn sbarduno mwy o alw am ffrydio data, yn enwedig wrth i'r technolegau hyn aeddfedu a thyfu mewn poblogrwydd ar ddiwedd y 2020au.
cloud cyfrifiadurol. Eglurir yn rhan nesaf y gyfres hon.
Cerbydau ymreolaethol. Wedi'i esbonio'n drylwyr yn ein Dyfodol Trafnidiaeth gyfres.
Rhyngrwyd pethau. Eglurir yn ein Rhyngrwyd o Bethau bennod yn ein Dyfodol y Rhyngrwyd gyfres.
Data mawr a dadansoddeg. Bydd sefydliadau sydd angen crensian data rheolaidd—meddwl y fyddin, archwilio’r gofod, rhagolygon y tywydd, fferyllol, logisteg, ac ati—yn parhau i fynnu cyfrifiaduron cynyddol bwerus i ddadansoddi eu setiau cynyddol o ddata a gasglwyd.

Bydd cyllid ar gyfer ymchwil a datblygu i ficrosglodion cenhedlaeth nesaf bob amser yn bodoli, ond y cwestiwn yw a all y lefel ariannu sydd ei hangen ar gyfer ffurfiau mwy cymhleth o ficrobroseswyr gadw i fyny â gofynion twf Cyfraith Moore. O ystyried y gost o newid i fathau newydd o ficrosglodion a’u masnacheiddio, ynghyd ag arafu’r galw gan ddefnyddwyr, y wasgfa ar gyllideb y llywodraeth yn y dyfodol a’r dirwasgiad economaidd, mae’n debygol y bydd Cyfraith Moore yn arafu neu’n dod i ben yn fyr yn gynnar yn y 2020au, cyn codi’n ôl erbyn yr hwyr. 2020au, 2030au cynnar.

O ran pam y bydd Moore's Law yn cyflymu eto, wel, gadewch i ni ddweud nad microsglodion wedi'u pweru gan dyrbo yw'r unig chwyldro sy'n dod i lawr y biblinell gyfrifiadurol. Nesaf yn ein cyfres Future of Computers, byddwn yn archwilio'r tueddiadau sy'n hybu twf cyfrifiadura cwmwl.