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Ein schwindendes Mooresches Gesetz, um ein grundlegendes Umdenken bei Mikrochips auszulösen: Future of Computers P4

David Tal, Verleger, Futurist
@DavidTalWrites
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Di, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Computer – sie sind irgendwie eine große Sache. Aber um die aufkommenden Trends, auf die wir bisher in unserer Serie „Future of Computers“ angedeutet haben, wirklich zu würdigen, müssen wir auch die Revolutionen verstehen, die die Computerpipeline hinuntersprinten, oder einfach: die Zukunft der Mikrochips.

Um die Grundlagen aus dem Weg zu räumen, müssen wir das Mooresche Gesetz verstehen, das heute berühmte Gesetz, das Dr. Gordon E. Moore 1965 begründete. Was Moore vor all diesen Jahrzehnten im Wesentlichen erkannte, war, dass sich die Anzahl der Transistoren in einer integrierten Schaltung verdoppelt alle 18 bis 24 Monate. Aus diesem Grund kostet Sie derselbe Computer, den Sie heute für 1,000 US-Dollar kaufen, in zwei Jahren 500 US-Dollar.

Seit über 2021 Jahren erfüllt die Halbleiterindustrie die zunehmende Trendlinie dieses Gesetzes und ebnet den Weg für neue Betriebssysteme, Videospiele, Streaming-Videos, mobile Apps und jede andere digitale Technologie, die unsere moderne Kultur definiert hat. Aber während die Nachfrage nach diesem Wachstum so aussieht, als würde sie für ein weiteres halbes Jahrhundert konstant bleiben, scheint Silizium – das Grundmaterial, aus dem alle modernen Mikrochips gebaut werden – diese Nachfrage nicht viel länger als XNUMX zu decken – so die letzter Bericht aus der Internationale Technologie-Roadmap für Halbleiter (ITRS)

Es ist wirklich Physik: Die Halbleiterindustrie schrumpft Transistoren auf atomare Größenordnung, eine Größenordnung, für die Silizium bald ungeeignet sein wird. Und je mehr diese Industrie versucht, Silizium über seine optimalen Grenzen hinaus zu schrumpfen, desto teurer wird jede Entwicklung von Mikrochips.

Hier sind wir heute. In einigen Jahren wird Silizium kein kostengünstiges Material mehr sein, um die nächste Generation hochmoderner Mikrochips zu bauen. Diese Grenze wird eine Revolution in der Elektronik erzwingen, indem sie die Halbleiterindustrie (und die Gesellschaft) zwingt, zwischen einigen Optionen zu wählen:

Die erste Option besteht darin, die kostspielige Entwicklung zur weiteren Miniaturisierung von Silizium zu verlangsamen oder zu beenden, um neue Wege zum Design von Mikrochips zu finden, die ohne zusätzliche Miniaturisierung mehr Rechenleistung erzeugen.
Zweitens neue Materialien finden, die in weitaus kleineren Maßstäben als Silizium manipuliert werden können, um eine immer größere Anzahl von Transistoren in noch dichtere Mikrochips zu stopfen.
Drittens, anstatt sich auf die Miniaturisierung oder die Verbesserung des Energieverbrauchs zu konzentrieren, konzentrieren Sie sich wieder auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit, indem Sie Prozessoren entwickeln, die auf bestimmte Anwendungsfälle spezialisiert sind. Dies könnte bedeuten, dass zukünftige Computer anstelle eines Generalisten-Chips möglicherweise eine Gruppe von Spezialchips haben. Beispiele hierfür sind Grafikchips, die zur Verbesserung von Videospielen verwendet werden Einführung von Google des Tensor Processing Unit (TPU)-Chips, der auf maschinelle Lernanwendungen spezialisiert ist.
Entwerfen Sie schließlich eine neue Software- und Cloud-Infrastruktur, die schneller und effizienter arbeiten kann, ohne dass dichtere/kleinere Mikrochips erforderlich sind.

Welche Option wird unsere Technologiebranche wählen? Realistisch: alle.

Die Rettungsleine für Moores Gesetz

Die folgende Liste gibt einen kurzen Einblick in die kurz- und langfristigen Innovationen, die Wettbewerber in der Halbleiterindustrie nutzen werden, um das Moore'sche Gesetz am Leben zu erhalten. Dieser Teil ist ein bisschen dicht, aber wir werden versuchen, ihn lesbar zu halten.

Nanomaterialien. Führende Halbleiterunternehmen wie Intel haben dies bereits angekündigt Silizium fallen lassen sobald sie Miniaturisierungsmaßstäbe von sieben Nanometern (7nm) erreichen. Zu den Kandidaten für den Ersatz von Silizium gehören Indiumantimonid (InSb), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Siliziumgermanium (SiGe), aber das Material, das am meisten Aufsehen erregt, scheinen Kohlenstoffnanoröhren zu sein. Aus Graphit – selbst ein Verbundstapel aus dem Wundermaterial Graphen – können Kohlenstoffnanoröhren atomar dick gemacht werden, sind extrem leitfähig und werden Schätzungen zufolge zukünftige Mikrochips bis 2020 bis zu fünfmal schneller machen.

Optisches Rechnen. Eine der größten Herausforderungen beim Design von Chips besteht darin, sicherzustellen, dass Elektronen nicht von einem Transistor zum anderen springen – eine Überlegung, die unendlich schwieriger wird, sobald Sie die atomare Ebene betreten. Die aufstrebende Technologie des optischen Rechnens versucht, Elektronen durch Photonen zu ersetzen, wodurch Licht (nicht Elektrizität) von Transistor zu Transistor geleitet wird. In 2017haben die Forscher diesem Ziel einen großen Schritt näher gebracht, indem sie die Fähigkeit demonstriert haben, auf Licht basierende Informationen (Photonen) als Schallwellen auf einem Computerchip zu speichern. Mit diesem Ansatz könnten Mikrochips bis 2025 nahezu mit Lichtgeschwindigkeit arbeiten.

Spintronics. Über zwei Jahrzehnte Entwicklungszeit versuchen Spintronik-Transistoren, den „Spin“ eines Elektrons anstelle seiner Ladung zu nutzen, um Informationen darzustellen. Diese Form von Transistoren ist zwar noch weit von der Kommerzialisierung entfernt, aber wenn sie gelöst wird, benötigt sie nur 10–20 Millivolt, um zu funktionieren, Hunderte Male kleiner als herkömmliche Transistoren; Dies würde auch die Überhitzungsprobleme beseitigen, mit denen Halbleiterunternehmen bei der Herstellung immer kleinerer Chips konfrontiert sind.

Neuromorphes Rechnen und Memristoren. Ein weiterer neuartiger Ansatz zur Lösung dieser drohenden Verarbeitungskrise liegt im menschlichen Gehirn. Insbesondere Forscher von IBM und DARPA sind führend in der Entwicklung einer neuen Art von Mikrochips – eines Chips, dessen integrierte Schaltkreise so konzipiert sind, dass sie den stärker dezentralisierten und nichtlinearen Ansatz des Gehirns bei der Datenverarbeitung nachahmen. (Schau dir das an ScienceBlogs-Artikel um die Unterschiede zwischen dem menschlichen Gehirn und Computern besser zu verstehen.) Frühe Ergebnisse deuten darauf hin, dass Chips, die das Gehirn nachahmen, nicht nur erheblich effizienter sind, sondern auch mit unglaublich weniger Wattleistung arbeiten als heutige Mikrochips.

Mit dem gleichen Gehirnmodellierungsansatz könnte der Transistor selbst, der sprichwörtliche Baustein des Mikrochips Ihres Computers, bald durch den Memristor ersetzt werden. Ein Memristor, der die Ära der „Ionen“ einleitet, bietet eine Reihe interessanter Vorteile gegenüber dem traditionellen Transistor:

Erstens können sich Memristoren an den Elektronenfluss erinnern, der durch sie fließt – selbst wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Übersetzt bedeutet dies, dass Sie eines Tages Ihren Computer mit der gleichen Geschwindigkeit einschalten könnten wie Ihre Glühbirne.
Transistoren sind binär, entweder 1s oder 0s. Memristoren hingegen können eine Vielzahl von Zuständen zwischen diesen Extremen haben, wie 0.25, 0.5, 0.747 usw. Dadurch funktionieren Memristoren ähnlich wie die Synapsen in unserem Gehirn, und das ist eine große Sache, da es eine Reihe zukünftiger Computer eröffnen könnte Möglichkeiten.
Als nächstes benötigen Memristoren kein Silizium, um zu funktionieren, was der Halbleiterindustrie den Weg ebnet, mit der Verwendung neuer Materialien zu experimentieren, um Mikrochips weiter zu miniaturisieren (wie zuvor beschrieben).
Schließlich sind auf Memristoren basierende Mikrochips ähnlich den Erkenntnissen von IBM und DARPA zum neuromorphen Computing schneller, verbrauchen weniger Energie und könnten eine höhere Informationsdichte enthalten als derzeit auf dem Markt befindliche Chips.

3D-Chips. Herkömmliche Mikrochips und die Transistoren, die sie antreiben, arbeiten auf einer flachen, zweidimensionalen Ebene, aber in den frühen 2010er Jahren begannen Halbleiterunternehmen damit zu experimentieren, ihren Chips eine dritte Dimension hinzuzufügen. Diese neuen Transistoren mit der Bezeichnung „finFET“ haben einen Kanal, der aus der Chipoberfläche herausragt, was ihnen eine bessere Kontrolle darüber gibt, was in ihren Kanälen passiert, sodass sie fast 40 Prozent schneller laufen und die Hälfte der Energie verbrauchen. Der Nachteil ist jedoch, dass diese Chips derzeit deutlich schwieriger (kostspieliger) herzustellen sind.

Aber über die Neugestaltung der einzelnen Transistoren hinaus, Zukunft 3D-Chips zielen auch darauf ab, Computing und Datenspeicherung in vertikal gestapelten Schichten zu kombinieren. Im Moment beherbergen herkömmliche Computer ihre Speichersticks nur wenige Zentimeter von ihrem Prozessor entfernt. Durch die Integration der Speicher- und Verarbeitungskomponenten verringert sich dieser Abstand jedoch von Zentimetern auf Mikrometer, was eine enorme Verbesserung der Verarbeitungsgeschwindigkeit und des Energieverbrauchs ermöglicht.

Quanten-Computing. Wenn wir weiter in die Zukunft blicken, könnte ein großer Teil der Datenverarbeitung auf Unternehmensebene nach den verrückten Gesetzen der Quantenphysik arbeiten. Aufgrund der Bedeutung dieser Art der Datenverarbeitung haben wir ihr jedoch ganz am Ende dieser Serie ein eigenes Kapitel gewidmet.

Super-Mikrochips sind kein gutes Geschäft

Okay, was Sie oben gelesen haben, ist alles schön und gut – wir sprechen von ultra-energieeffizienten Mikrochips, die dem menschlichen Gehirn nachempfunden sind und mit Lichtgeschwindigkeit laufen können – aber die Sache ist die, dass die Halbleiterchip-Industrie das nicht tut übermäßig darauf aus, diese Konzepte in eine massenproduzierte Realität umzusetzen.

Tech-Giganten wie Intel, Samsung und AMD haben bereits über Jahrzehnte hinweg Milliarden von Dollar in die Herstellung traditioneller, siliziumbasierter Mikrochips investiert. Der Wechsel zu einem der oben genannten neuartigen Konzepte würde bedeuten, diese Investitionen zu streichen und weitere Milliarden für den Bau neuer Fabriken auszugeben, um neue Mikrochip-Modelle in Massenproduktion herzustellen, deren Verkaufserfolg bei Null liegt.

Es sind nicht nur die Zeit- und Geldinvestitionen, die diese Halbleiterunternehmen zurückhalten. Auch die Verbrauchernachfrage nach immer leistungsfähigeren Mikrochips geht zurück. Denken Sie darüber nach: In den 90er und den meisten 00er Jahren war es fast selbstverständlich, dass Sie Ihren Computer oder Ihr Telefon eintauschen würden, wenn nicht jedes Jahr, dann alle zwei Jahre. Auf diese Weise konnten Sie mit all der neuen Software und Anwendungen Schritt halten, die herauskamen, um Ihr Privat- und Arbeitsleben einfacher und besser zu machen. Wie oft rüsten Sie heutzutage auf das neueste Desktop- oder Laptop-Modell auf dem Markt um?

Wenn Sie an Ihr Smartphone denken, haben Sie etwas in der Tasche, das noch vor 20 Jahren als Supercomputer gegolten hätte. Abgesehen von Beschwerden über Akkulaufzeit und Speicher sind die meisten Telefone, die seit 2016 gekauft wurden, perfekt in der Lage, jede App oder jedes Handyspiel auszuführen, jedes Musikvideo oder jede ungezogene Facetiming-Session mit Ihrem SO zu streamen oder fast alles andere, was Sie auf Ihrem tun möchten Telefon. Müssen Sie wirklich jedes Jahr 1,000 $ oder mehr ausgeben, um diese Dinge um 10-15 Prozent besser zu machen? Würdest du den Unterschied überhaupt bemerken?

Für die meisten Menschen lautet die Antwort nein.

Die Zukunft des Mooreschen Gesetzes

In der Vergangenheit stammten die meisten Investitionen in die Halbleitertechnologie aus militärischen Verteidigungsausgaben. Es wurde dann durch Hersteller von Unterhaltungselektronik ersetzt, und bis 2020-2023 werden sich die führenden Investitionen in die weitere Entwicklung von Mikrochips erneut verlagern, diesmal von Branchen, die sich auf Folgendes spezialisiert haben:

Inhalte der nächsten Generation. Die bevorstehende Einführung von holografischen, virtuellen und erweiterten Realitätsgeräten in die breite Öffentlichkeit wird eine größere Nachfrage nach Datenstreaming anregen, insbesondere da diese Technologien in den späten 2020er Jahren ausgereift sind und an Popularität gewinnen.
Cloud Computing. Erklärt im nächsten Teil dieser Serie.
Autonome Fahrzeuge. Ausführlich erklärt in unserem Zukunft des Verkehrs Serie.
Internet der Dinge. Erklärt in unserem Internet der Dinge Kapitel in unserem Zukunft des Internets Serie.
Big Data und Analytics. Organisationen, die regelmäßig Daten verarbeiten müssen – denken Sie an das Militär, die Weltraumforschung, Wettervorhersagen, Pharmazeutika, Logistik usw. – werden weiterhin immer leistungsfähigere Computer benötigen, um ihre ständig wachsenden Datensätze zu analysieren.

Finanzmittel für Forschung und Entwicklung von Mikrochips der nächsten Generation wird es immer geben, aber die Frage ist, ob das für komplexere Formen von Mikroprozessoren benötigte Finanzierungsniveau mit den Wachstumsanforderungen des Mooreschen Gesetzes Schritt halten kann. Angesichts der Kosten für den Wechsel zu und die Kommerzialisierung neuer Formen von Mikrochips in Verbindung mit einer nachlassenden Verbrauchernachfrage, künftigen Staatshaushaltskrisen und wirtschaftlichen Rezessionen besteht die Möglichkeit, dass sich das Mooresche Gesetz Anfang der 2020er Jahre verlangsamt oder kurzzeitig zum Stillstand kommt, bevor es später wieder zunimmt 2020er, Anfang 2030er.

Warum das Mooresche Gesetz wieder an Fahrt gewinnen wird, sagen wir einfach, dass Mikrochips mit Turboantrieb nicht die einzige Revolution sind, die die Computer-Pipeline herunterkommt. Als nächstes werden wir in unserer Serie „Future of Computers“ die Trends untersuchen, die das Wachstum von Cloud Computing vorantreiben.