Quantumrun

PILDIKrediit: Quantumrun

Häiriv Moore'i seadus, mis käivitab mikrokiipide põhjaliku ümbermõtlemise: arvutite tulevik P4

David Tal, kirjastaja, futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Teisipäev, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Arvutid – need on omamoodi suur asi. Kuid selleks, et tõeliselt hinnata esilekerkivaid suundumusi, millele oleme oma Future of Computers sarjas seni vihjanud, peame mõistma ka arvutusprotsessis toimuvaid revolutsioone või lihtsalt: mikrokiipide tulevikku.

Põhitõdede kõrvaldamiseks peame mõistma Moore'i seadust, nüüdseks kuulsat seadust, mille dr. Gordon E. Moore asutas 1965. aastal. Põhimõtteliselt mõistis Moore kõik need aastakümned tagasi, et transistoride arv integraallülituses kahekordistub. iga 18-24 kuu tagant. Seetõttu maksab sama arvuti, mille ostate täna 1,000 dollari eest, teile kahe aasta pärast 500 dollarit.

Pooljuhtide tööstus on juba üle viiekümne aasta elanud selle seaduse keerulisele trendijoonele vastu, sillutades teed uutele operatsioonisüsteemidele, videomängudele, video voogesituse, mobiilirakenduste ja igale muule meie kaasaegse kultuuri määranud digitaaltehnoloogiale. Kuid kuigi nõudlus selle kasvu järele näib olevat sama veel pool sajandit, ei tundu räni – aluspõhja materjal, millest kõik kaasaegsed mikrokiibid on ehitatud – 2021. aasta jooksul seda nõudlust rahuldavat. viimane aruanne Rahvusvaheline pooljuhtide tehnoloogia teekaart (ITRS)

See on tõesti füüsika: pooljuhtide tööstus kahandab transistoreid aatomiskaalale, skaala räni on varsti kõlbmatu. Ja mida rohkem see tööstus püüab räni oma optimaalsetest piiridest ületada, seda kallimaks muutub iga mikrokiibi arendus.

See on koht, kus me täna oleme. Mõne aasta pärast ei ole räni enam kuluefektiivne materjal uue põlvkonna tipptasemel mikrokiipide ehitamiseks. See piir sunnib elektroonikas revolutsiooni, sundides pooljuhtide tööstust (ja ühiskonda) valima mõne valiku vahel:

Esimene võimalus on aeglustada või lõpetada kulukas arendus räni edasiseks miniaturiseerimiseks, et leida uudseid viise mikrokiipide kujundamiseks, mis toodavad rohkem töötlemisvõimsust ilma täiendava miniaturiseerimiseta.
Teiseks leidke uusi materjale, mida saab töödelda palju väiksemas mahus kui räni, et toppida üha rohkem transistore veelgi tihedamatesse mikrokiipidesse.
Kolmandaks, selle asemel, et keskenduda miniaturiseerimisele või energiakasutuse parandamisele, keskenduge töötlemiskiirusele, luues protsessoreid, mis on spetsialiseerunud konkreetsetele kasutusjuhtudele. See võib tähendada, et ühe üldise kiibi asemel võib tulevastel arvutitel olla spetsiaalsete kiipide klaster. Näited hõlmavad graafikakiipe, mida kasutatakse videomängude täiustamiseks Google'i tutvustus Tensor Processing Unit (TPU) kiibist, mis on spetsialiseerunud masinõppe rakendustele.
Lõpuks kujundage uus tarkvara ja pilveinfrastruktuur, mis toimivad kiiremini ja tõhusamalt, ilma et oleks vaja tihedamaid/väiksemaid mikrokiipe.

Millise valiku meie tehnoloogiatööstus valib? Reaalselt: kõik.

Moore'i seaduse päästerõngas

Järgmine loend on lühike ülevaade lähi- ja pikaajalistest uuendustest, mida pooljuhttööstuse konkurendid kasutavad Moore'i seaduse elushoidmiseks. See osa on pisut tihe, kuid püüame selle loetavana hoida.

nanomaterjalid. Juhtivad pooljuhtide ettevõtted, nagu Intel, on juba teatanud, et nad seda teevad tilk räni kui nad saavutavad seitsme nanomeetri (7 nm) miniaturiseerimisskaala. Räni asendamise kandidaatide hulka kuuluvad indium-antimoniid (InSb), indiumgalliumarseniid (InGaAs) ja räni-germaanium (SiGe), kuid kõige rohkem põnevust tekitav materjal näib olevat süsiniknanotorud. Grafiidist valmistatud süsinik-nanotorud, mis on imematerjalist grafeenist koosnev komposiitkiht, võivad muutuda aatomite paksuseks, on äärmiselt juhtivad ja muudavad tulevased mikrokiibid 2020. aastaks hinnanguliselt kuni viis korda kiiremaks.

Optiline andmetöötlus. Üks suurimaid väljakutseid kiipide kujundamisel on tagada, et elektronid ei hüppaks ühelt transistorilt teisele – see kaalutlus muutub aatomitasandile sisenemisel lõpmatult raskemaks. Arenev optilise andmetöötluse tehnoloogia asendab elektronid footonitega, mille käigus valgus (mitte elekter) kandub transistorilt transistorile. in 2017, tegid teadlased hiiglasliku sammu selle eesmärgi suunas, demonstreerides võimet salvestada valguspõhist teavet (footoneid) helilainetena arvutikiibile. Seda lähenemisviisi kasutades võiksid mikrokiibid 2025. aastaks töötada valguse kiiruse lähedal.

Spintroonika. Üle kahe aastakümne arendatud spintroonilised transistorid püüavad informatsiooni esitamiseks kasutada elektroni "spinni" selle laengu asemel. Kuigi see on veel kaugel kommertsialiseerimisest, vajab see transistoride vorm töötamiseks vaid 10-20 millivolti, mis on sadu kordi väiksem kui tavalised transistorid; see kõrvaldaks ka ülekuumenemise probleemid, millega pooljuhtide ettevõtted üha väiksemaid kiipe tootvad.

Neuromorfne andmetöötlus ja memristorid. Veel üks uudne lähenemisviis selle ähvardava töötlemiskriisi lahendamiseks peitub inimese ajus. Eelkõige IBMi ja DARPA teadlased juhivad uut tüüpi mikrokiibi väljatöötamist – kiibi, mille integraallülitused on loodud jäljendama aju detsentraliseeritumat ja mittelineaarset lähenemist andmetöötlusele. (Vaadake seda ScienceBlogsi artikkel et paremini mõista inimaju ja arvutite erinevusi.) Varased tulemused näitavad, et aju jäljendavad kiibid ei ole mitte ainult oluliselt tõhusamad, vaid kasutavad uskumatult vähem võimsust kui praegused mikrokiibid.

Sama aju modelleerimise lähenemisviisi kasutades võib transistor ise, teie arvuti mikrokiibi vanasõnaline ehitusplokk, peagi asendada memristriga. Ioonika ajastu sisse juhatades pakub memristor traditsioonilise transistori ees mitmeid huvitavaid eeliseid:

Esiteks mäletavad memristorid neid läbivat elektronide voolu isegi siis, kui toide katkeb. Tõlkes tähendab see, et ühel päeval võiksite oma arvuti elektripirniga samal kiirusel sisse lülitada.
Transistorid on binaarsed, kas 1s või 0s. Vahepeal võib memristoritel olla nende äärmuste vahel mitmesuguseid olekuid, nagu 0.25, 0.5, 0.747 jne. See paneb memristorid toimima sarnaselt meie aju sünapsidega ja see on suur asi, kuna see võib avada hulga tulevasi arvutusi. võimalusi.
Järgmiseks ei vaja memristorid toimimiseks räni, mis annab pooljuhtide tööstusele võimaluse katsetada uute materjalide kasutamist mikrokiipide edasiseks miniatuurseks muutmiseks (nagu varem kirjeldatud).
Lõpuks, sarnaselt IBMi ja DARPA neuromorfse andmetöötluse leidudele, on memristoritel põhinevad mikrokiibid kiiremad, kasutavad vähem energiat ja võivad sisaldada suuremat teabetihedust kui praegu turul olevad kiibid.

3D kiibid. Traditsioonilised mikrokiibid ja neid toidavad transistorid töötavad tasasel kahemõõtmelisel tasapinnal, kuid 2010. aastate alguses hakkasid pooljuhtide ettevõtted katsetama oma kiipidele kolmanda mõõtme lisamist. Nendel uutel transistoridel, mida nimetatakse finFET-iks, on kanal, mis kleepub kiibi pinnalt, andes neile parema kontrolli nende kanalites toimuva üle, võimaldades neil töötada peaaegu 40 protsenti kiiremini ja kasutada poole vähem energiat. Negatiivne külg on aga see, et neid kiipe on hetkel oluliselt keerulisem (kulukam) toota.

Kuid peale üksikute transistoride ümberkujundamise, tulevik 3D kiibid Samuti on eesmärk kombineerida andmetöötlust ja andmete salvestamist vertikaalselt virnastatud kihtides. Praegu asuvad traditsioonilised arvutid oma mälupulgad protsessorist sentimeetrite kaugusel. Kuid mälu- ja töötlemiskomponentide integreerimisel väheneb see vahemaa sentimeetritelt mikromeetriteni, mis võimaldab tohutult parandada töötlemiskiirust ja energiatarbimist.

Kvantarvutus. Vaadates kaugemale tulevikku, võib suur osa ettevõtte tasemel andmetöötlust toimida kvantfüüsika veidrate seaduste alusel. Kuid seda tüüpi andmetöötluse tähtsuse tõttu andsime selle seeria lõpus oma peatüki.

Supermikrokiibid ei ole hea äri

Olgu, see, mida ülal lugesite, on hea – me räägime ülimalt energiatõhusatest mikrokiipidest, mis on kujundatud inimaju järgi ja suudavad töötada valguse kiirusel –, kuid asi on selles, et pooljuhtkiipide valmistamise tööstus ei ole liiga innukas muuta need kontseptsioonid masstoodetud reaalsuseks.

Tehnikahiiglased, nagu Intel, Samsung ja AMD, on juba aastakümnete jooksul investeerinud miljardeid dollareid traditsiooniliste ränipõhiste mikrokiipide tootmiseks. Üleminek ükskõik millisele ülalmainitud uudsele kontseptsioonile tähendaks nende investeeringute kaotamist ja miljardeid rohkem kulutamist uute tehaste ehitamiseks, et toota masstootmiseks uusi mikrokiibi mudeleid, mille müügirekord on null.

Mitte ainult aja- ja rahainvesteeringud ei hoia neid pooljuhtide ettevõtteid tagasi. Tarbijate nõudlus üha võimsamate mikrokiipide järele on samuti vähenemas. Mõelge sellele: 90ndatel ja enamikul 00ndatel oli peaaegu loomulik, et vahetasite oma arvuti või telefoniga, kui mitte igal aastal, siis igal teisel aastal. See võimaldaks teil olla kursis kogu uue tarkvara ja rakendustega, mis teie kodu- ja tööelu lihtsamaks ja paremaks muudavad. Kui sageli lähete tänapäeval turule uusimale laua- või sülearvutimudelile?

Kui mõtlete oma nutitelefonile, on teil taskus see, mida vaid 20 aastat tagasi oleks peetud superarvutiks. Peale kaebuste aku kestvuse ja mälu kohta on enamik alates 2016. aastast ostetud telefone täiesti võimelised käivitama mis tahes rakendusi või mobiilimänge, voogesitama mis tahes muusikavideot või ulakat näoajastamise seanssi oma SO-ga või enamikku kõike muud, mida soovite oma platvormil teha. telefon. Kas teil on tõesti vaja igal aastal kulutada 1,000 dollarit või rohkem, et neid asju 10–15 protsenti paremini teha? Kas märkaksid isegi erinevust?

Enamiku inimeste jaoks on vastus eitav.

Moore'i seaduse tulevik

Varem rahastati enamus pooljuhttehnoloogia investeeringuid sõjalistest kaitsekuludest. Seejärel asendati see olmeelektroonika tootjatega ja aastaks 2020–2023 nihkuvad juhtivad investeeringud mikrokiipide edasiarendamisesse uuesti, seekord järgmistele spetsialiseerunud tööstusharudest:

Järgmise põlvkonna sisu. Tulevane holograafiliste, virtuaalsete ja liitreaalsuse seadmete tutvustamine laiemale avalikkusele suurendab nõudlust andmete voogesituse järele, eriti kuna need tehnoloogiad arenevad ja kasvavad 2020. aastate lõpus populaarsemaks.
Cloud computing. Selgitatakse selle sarja järgmises osas.
Autonoomsed sõidukid. Põhjalikult selgitatud meie Transpordi tulevik seeria.
Asjade Internet. Selgitatud meie Asjade Internet peatükk meie Interneti tulevik seeria.
Suurandmed ja analüüs. Organisatsioonid, mis nõuavad regulaarset andmete kokkuvarisemist – mõelge sõjaväele, kosmoseuuringutele, ilmaennustajatele, farmaatsiatööstusele, logistikale jne –, nõuavad jätkuvalt üha võimsamaid arvuteid, et analüüsida oma pidevalt laienevaid kogutud andmekogumeid.

Järgmise põlvkonna mikrokiipide uurimis- ja arendustegevuse rahastamine on alati olemas, kuid küsimus on selles, kas mikroprotsessorite keerukamate vormide jaoks vajalik rahastamistase suudab sammu pidada Moore'i seaduse kasvunõuetega. Arvestades uutele mikrokiipide vormidele ülemineku ja turustamise kulusid ning tarbijanõudluse aeglustumist, tulevasi valitsuse eelarvekriise ja majanduslangust, on tõenäoline, et Moore'i seadus aeglustub või peatub korraks 2020. aastate alguses, enne kui hiljaks taastub. 2020ndad, 2030ndate algus.

Mis puutub sellesse, miks Moore'i seadus taas hoogu võtab, siis ütleme nii, et turbomootoriga mikrokiibid pole ainus revolutsioon, mis arvutusprotsessis tuleb. Järgmisena oma Future of Computers sarjas uurime pilvandmetöötluse kasvu soodustavaid suundumusi.