Quantumrun

BILDA KREDITO: Quantumrun

Forvelkanta Leĝo de Moore por ekfunkciigi fundamentan repripenson de mikroĉipoj: Estonteco de Komputiloj P4

David Tal, Eldonisto, Futuristo
@DavidTalWrites
LinkedIn

mar, 09/15/2020 - 15:39

Komputiloj—ili estas ia granda afero. Sed por vere aprezi la emerĝantajn tendencojn, kiujn ni aludis ĝis nun en nia serio Future of Computers, ni ankaŭ devas kompreni la revoluciojn rapidantajn laŭ la komputila dukto, aŭ simple: la estonteco de mikroĉipoj.

Por forigi la bazaĵojn, ni devas kompreni la Leĝon de Moore, la nun faman leĝon fonditan de D-ro Gordon E. Moore en 1965. Esence, kion Moore realigis antaŭ ĉiuj tiuj jardekoj, estas, ke la nombro da transistoroj en integra cirkvito duobliĝas. ĉiujn 18 ĝis 24 monatojn. Jen kial la sama komputilo, kiun vi aĉetas hodiaŭ por $1,000, kostos al vi $500 post du jaroj.

Dum pli ol kvindek jaroj, la semikonduktaĵo-industrio vivis laŭ la kunmetaĵa tendenco de ĉi tiu leĝo, pavimante la vojon al la novaj operaciumoj, videoludoj, streaming video, poŝtelefonaj programoj, kaj ĉiu alia cifereca teknologio kiu difinis nian modernan kulturon. Sed dum la postulo por ĉi tiu kresko ŝajnas, ke ĝi restos konstanta dum ankoraŭ duonjarcento, silicio—la fundamenta materialo kun kiu ĉiuj modernaj mikroĉipoj estas konstruitaj—ne ŝajnas, ke ĝi renkontos tiun postulon dum multe pli longe pasinta 2021—laŭ la lasta raporto de la Internacia Teknologia Vojmapo por Semikonduktaĵoj (ITRS)

Ĝi estas fiziko vere: la duonkondukta industrio ŝrumpas transistorojn al la atomskalo, skalo silicio baldaŭ estos netaŭga por. Kaj ju pli ĉi tiu industrio provas ŝrumpi silicion preter siaj optimumaj limoj, des pli multekosta fariĝos ĉiu mikroĉipa evoluo.

Ĉi tie ni estas hodiaŭ. Post kelkaj jaroj, silicio ne plu estos kostefika materialo por konstrui la venontan generacion de avangardaj mikroĉipoj. Ĉi tiu limo devigos revolucion en elektroniko devigante la semikonduktaĵindustrion (kaj socion) elekti inter kelkaj opcioj:

La unua opcio estas malrapidigi, aŭ fini, multekostan evoluon por plu miniaturigi silicion, en favoro de trovado de novaj manieroj dizajni mikroĉipojn kiuj generas pli da pretigpotenco sen plia miniaturigo.
Due, trovu novajn materialojn, kiuj povas esti manipulitaj je multe pli malgrandaj skaloj ol silicio por ŝtopi ĉiam pli grandajn nombrojn da transistoroj en eĉ pli densajn mikroĉipojn.
Trie, anstataŭ koncentriĝi pri miniaturigo aŭ plibonigoj pri potenco-uzo, refokusu pri la rapideco de prilaborado per kreado de procesoroj specialigitaj por specifaj uzkazoj. Ĉi tio povus signifi anstataŭ havi unu ĝeneralisma blato, estontaj komputiloj povas havi areton de fakaj blatoj. Ekzemploj inkluzivas grafikajn blatojn uzatajn por plibonigi videoludojn Enkonduko de Guglo de la peceto de Tensor Processing Unit (TPU) kiu specialiĝas pri maŝinlernado-aplikaĵoj.
Fine, projektu novan programaron kaj nuban infrastrukturon, kiuj povas funkcii pli rapide kaj pli efike sen bezoni pli densajn/pli malgrandajn mikroĉipojn.

Kiun opcion elektos nia teknologia industrio? Realisme: ĉiuj.

La savŝnuro por la Leĝo de Moore

La sekva listo estas mallonga rigardo al la baldaŭaj kaj longperspektivaj novigoj, kiujn konkurantoj ene de duonkondukta industrio uzos por konservi la Leĝon de Moore viva. Ĉi tiu parto estas iom densa, sed ni provos teni ĝin legebla.

Nanomaterialoj. Ĉefaj kompanioj de duonkonduktaĵoj, kiel Intel, jam anoncis, ke ili faros faligi silicion post kiam ili atingas miniaturigskalojn de sep nanometroj (7nm). Kandidatoj por anstataŭigi silicion inkludas indian antimonidon (InSb), indian galiumarsenidon (InGaAs), kaj silicio-germanion (SiGe) sed la materialo kiu ricevas la plej eksciton ŝajnas esti karbonaj nanotuboj. Faritaj el grafito - mem kunmetita stako de la mirinda materialo, grafeno - karbonaj nanotuboj povas esti igitaj atomoj dikaj, estas ekstreme konduktaj, kaj estas taksitaj fari estontajn mikroĉipojn ĝis kvinoble pli rapide antaŭ 2020.

Optika komputado. Unu el la plej grandaj defioj ĉirkaŭ desegnado de blatoj estas certigi, ke elektronoj ne transsaltas de unu transistoro al alia - konsidero, kiu fariĝas senlime pli malfacila post kiam vi eniras la atoman nivelon. La emerĝanta teknologio de optika komputado serĉas anstataŭigi elektronojn per fotonoj, per kio lumo (ne elektro) estas pasita de transistoro al transistoro. en 2017, esploristoj faris gigantan paŝon al ĉi tiu celo pruvante la kapablon stoki lumbazitajn informojn (fotonoj) kiel sonondoj sur komputila blato. Uzante ĉi tiun aliron, mikroĉipoj povus funkcii proksime de la lumrapideco antaŭ 2025.

Spintronics. Dum du jardekoj en evoluo, spintronaj transistoroj provas uzi la "spinon" de elektrono anstataŭe de ĝia ŝargo por reprezenti informojn. Dum ankoraŭ longe de komercado, se solvita, ĉi tiu formo de transistoro nur bezonos 10-20 milivoltojn por funkcii, centoble pli malgranda ol konvenciaj transistoroj; ĉi tio ankaŭ forigus la trovarmigitajn problemojn alfrontatajn de semikonduktaĵfirmaoj dum produktado de ĉiam pli malgrandaj blatoj.

Neŭromorfa komputado kaj memristoroj. Alia nova aliro al solvi ĉi tiun minacan pretigan krizon kuŝas en la homa cerbo. Esploristoj ĉe IBM kaj DARPA, precipe, gvidas la evoluon de nova speco de mikroĉipo - blato kies integraj cirkvitoj estas dizajnitaj por imiti la pli malcentralizitan kaj ne-linian aliron de la cerbo al komputado. (Kontrolu ĉi tion ScienceBlogs artikolo por pli bone kompreni la diferencojn inter la homa cerbo kaj komputiloj.) Fruaj rezultoj indikas ke blatoj kiuj imitas la cerbon estas ne nur signife pli efikaj, sed ili funkcias uzante nekredeble malpli vatton ol nunaj mikroĉipoj.

Uzante ĉi tiun saman cerban modeligan aliron, la transistoro mem, la proverba konstrubriketo de la mikroĉipo de via komputilo, baldaŭ eble estos anstataŭigita per la memristoro. Komencante la "joniko-" epokon, memristoro ofertas kelkajn interesajn avantaĝojn super la tradicia transistoro:

Unue, memristoroj povas memori la elektronfluon pasantan tra ili - eĉ se potenco estas tranĉita. Tradukita, ĉi tio signifas, ke iam vi povus ŝalti vian komputilon samrapide kiel via ampolo.
Transistoroj estas binaraj, aŭ 1s aŭ 0s. Memristors, dume, povas havi diversajn statojn inter tiuj ekstremoj, kiel 0.25, 0.5, 0.747, ktp. Ĉi tio igas memristorojn funkcii simile al la sinapsoj en niaj cerboj, kaj tio estas granda afero ĉar ĝi povus malfermi gamon da estonta komputado. eblecoj.
Poste, memristoroj ne bezonas silicion por funkcii, malfermante la vojon por la semikonduktaĵindustrio por eksperimenti kun uzado de novaj materialoj por plu miniaturigi mikroĉipojn (kiel skizite antaŭe).
Fine, simile al la trovoj faritaj de IBM kaj DARPA en neŭromorfan komputadon, mikroĉipoj bazitaj sur memristoroj estas pli rapidaj, uzas malpli da energio, kaj povus teni pli altan informan densecon ol blatoj nuntempe sur la merkato.

3D blatoj. Tradiciaj mikroĉipoj kaj la transistoroj kiuj funkciigas ilin funkciigas sur plata, dudimensia aviadilo, sed en la fruaj 2010-aj jaroj, semikonduktaĵfirmaoj komencis eksperimenti kun aldonado de tria dimensio al siaj blatoj. Nomitaj 'finFET', ĉi tiuj novaj transistoroj havas kanalon kiu aliĝas de la surfaco de la blato, donante al ili pli bonan kontrolon pri tio, kio okazas en siaj kanaloj, permesante al ili funkcii preskaŭ 40 procentojn pli rapide kaj funkcii uzante duonon de la energio. La malavantaĝo, tamen, estas, ke ĉi tiuj blatoj estas signife pli malfacilaj (koste) produkti nuntempe.

Sed preter restrukturi la individuajn transistorojn, estontecon 3D blatoj ankaŭ celas kombini komputadon kaj datumstokadon en vertikale stakigitaj tavoloj. Ĝuste nun, tradiciaj komputiloj enhavas siajn memorbastonojn centimetrojn de ĝia procesoro. Sed per integriĝo de la memoro kaj pretigaj komponantoj, ĉi tiu distanco malpliiĝas de centimetroj ĝis mikrometroj, ebligante gigantan plibonigon de pretigaj rapidoj kaj energikonsumo.

Kvantuma komputado. Rigardante pli en la estontecon, granda parto de entreprennivela komputado povus funkcii sub la strangaj leĝoj de kvantuma fiziko. Tamen, pro la graveco de ĉi tiu speco de komputado, ni donis al ĝi sian propran ĉapitron ĉe la fino de ĉi tiu serio.

Super mikroĉipoj ne estas bona komerco

Bone, do tio, kion vi legis supre, estas bone kaj bona—ni parolas ultraenergi-efikajn mikroĉipojn modeligitajn laŭ la homa cerbo, kiu povas funkcii kun la lumrapideco—sed la afero estas, ke la industrio de semikonduktaĵo-kreado de pecetoj ne estas. tro avida por igi tiujn konceptojn amasproduktitan realecon.

Teknikaj gigantoj, kiel Intel, Samsung kaj AMD, jam investis miliardojn da dolaroj dum jardekoj por produkti tradiciajn, siliciajn mikroĉipojn. Ŝanĝi al iu ajn el la novaj konceptoj supre notitaj signifus forigi tiujn investojn kaj elspezi miliardojn pli por konstrui novajn fabrikojn por amasprodukti novajn mikroĉipmodelojn, kiuj havas vendon de nulo.

Ne nur la tempo kaj mona investo retenas ĉi tiujn duonkonduktajn kompaniojn. La konsumanta postulo je ĉiam pli potencaj mikroĉipoj ankaŭ malpliiĝas. Pensu pri tio: Dum la 90-aj jaroj kaj plejparto de la 00-aj jaroj, estis preskaŭ donita, ke vi komercus per via komputilo aŭ telefono, se ne ĉiujare, tiam ĉiun duan jaron. Ĉi tio permesus al vi konservi la tutan novan programaron kaj aplikojn, kiuj aperis por fari vian hejmon kaj laboran vivon pli facila kaj pli bona. Nuntempe, kiom ofte vi ĝisdatigas al la plej nova labortabla aŭ portebla modelo sur la merkato?

Kiam vi pensas pri via inteligenta telefono, vi havas en via poŝo tion, kio estus konsiderata superkomputilo antaŭ nur 20 jaroj. Krom plendoj pri bateria vivo kaj memoro, plej multaj telefonoj aĉetitaj ekde 2016 estas perfekte kapablaj ruli ajnan aplikaĵon aŭ moveblan ludon, elsendi ajnan muzikfilmeton aŭ aĉan facetiming-sesion kun via SO, aŭ plej ion alian, kion vi volus fari sur via SO. telefono. Ĉu vi vere bezonas elspezi $1,000 aŭ pli ĉiujare por fari ĉi tiujn aferojn 10-15 procentojn pli bone? Ĉu vi eĉ rimarkus la diferencon?

Por plej multaj homoj, la respondo estas ne.

La estonteco de la leĝo de Moore

En la pasinteco, plej multaj investfinancado en semikonduktaĵteknologion venis de armea defenda elspezo. Ĝi tiam estis anstataŭigita per konsumelektronikaj produktantoj, kaj antaŭ 2020-2023, gvida investo en plian mikropecevoluon denove ŝanĝiĝos, ĉi-foje de industrioj specialiĝantaj pri la sekvanta:

Enhavo de venonta generacio. La venonta enkonduko de holografiaj, virtualaj kaj pligrandigitaj realecaj aparatoj al la ĝenerala publiko stimulos pli grandan postulon pri datumfluado, precipe kiam ĉi tiuj teknologioj maturiĝas kaj kreskas en populareco dum la malfruaj 2020-aj jaroj.
Cloud computing. Klarigite en la sekva parto de ĉi tiu serio.
Sendependaj veturiloj. Plene klarigite en nia Estonteco de Transportado serio.
Interreto de aferoj. Klarigite en nia Interreto de Aĵoj ĉapitro en nia Estonteco de la Interreto serio.
Grandaj datumoj kaj analizo. Organizoj, kiuj postulas regulan datumprenadon - pensu pri la militistaro, kosmoesploro, veterprognozistoj, farmaciaĵoj, loĝistiko, ktp. - daŭre postulos ĉiam pli potencajn komputilojn por analizi siajn ĉiam pligrandiĝantajn arojn de kolektitaj datumoj.

Financado por R&D en venontgeneraciajn mikroĉipojn ĉiam ekzistos, sed la demando estas ĉu la financa nivelo necesa por pli kompleksaj formoj de mikroprocesoroj povas daŭrigi kun la kreskopostuloj de la Leĝo de Moore. Konsiderante la koston por ŝanĝi kaj komerci novajn formojn de mikroĉipoj, kunligita kun malrapidiĝo de la postulo de konsumantoj, estontaj registaraj buĝetaj krizoj kaj ekonomiaj recesioj, verŝajne la Leĝo de Moore malrapidiĝos aŭ haltos nelonge komence de la 2020-aj jaroj, antaŭ ol rekomenci malfrue. 2020-aj jaroj, fruaj 2030-aj jaroj.

Pri kial la Leĝo de Moore denove akiros rapidecon, nu, ni nur diru, ke turbo-elektraj mikroĉipoj ne estas la sola revolucio venanta laŭ la komputika dukto. Poste en nia serio Future of Computers, ni esploros la tendencojn instigantajn la kreskon de nuba komputado.