Quantumrun

IRUDIAREN KREDITUA: Quantumrun

Desagertzen den Mooreren legea mikrotxipen oinarrizko birpentsaketa pizteko: Computers of Future P4

David Tal, argitaletxea, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Asteartea, 09/15/2020 - 15:39

Ordenagailuak: gauza handiak dira. Baina gure Future of Computers seriean orain arte iradoki ditugun joerak benetan balioesteko, konputazio kanalizazioan abiatzen diren iraultzak ere ulertu behar ditugu, edo besterik gabe: mikrotxipen etorkizuna.

Oinarriak bidetik kentzeko, Moore-ren legea ulertu behar dugu, Gordon E. Moore doktoreak 1965ean sortu zuen gaur egungo lege ospetsua. Funtsean, Moorek duela hamarkada haiek konturatu zena da zirkuitu integratu bateko transistore kopurua bikoiztu egiten dela. 18 eta 24 hilabetetik behin. Horregatik, gaur egun 1,000 dolarren truke erosten duzun ordenagailu berak hemendik bi urtera 500 dolar balioko dizu.

Berrogeita hamar urte baino gehiagoz, erdieroaleen industriak lege honen joera konposatuarekin bat egin du, eta gure kultura modernoa definitu duten sistema eragile, bideo-joko, bideo streaming, aplikazio mugikorretarako eta gure kultura modernoa definitu duten beste teknologia digital berriei bidea irekiz. Baina hazkunde horren eskaerak beste mende erdian egonkor jarraituko duela dirudien arren, silizioak —mikrotxip moderno guztiek eraikitzen duten hondoko materiala— ez dirudi 2021. urterako baino askoz gehiagorako eskari hori asetuko duenik—. ren azken txostena Erdieroaleentzako Nazioarteko Teknologiaren Bide-orria (ITRS)

Fisika da benetan: erdieroaleen industria transistoreak eskala atomikora murrizten ari da, eskala silizio bat laster desegokia izango da. Eta industria hau zenbat eta gehiago saiatu silizioa bere muga optimoen gainetik murrizten, orduan eta garestiagoa izango da mikrotxiparen bilakaera bakoitza.

Hemen gaude gaur. Urte gutxiren buruan, silizioa ez da material errentagarria izango punta-puntako mikrotxiparen hurrengo belaunaldia eraikitzeko. Muga horrek elektronikan iraultza bat eragingo du erdieroaleen industria (eta gizartea) aukera batzuen artean hautatzera behartuz:

Lehenengo aukera silizioa gehiago miniaturizatzeko garapen garestia moteltzea edo amaitzea da, miniaturizazio gehigarririk gabe prozesatzeko ahalmen gehiago sortzen duten mikrotxipak diseinatzeko modu berriak aurkitzearen alde.
Bigarrenik, aurkitu silizioa baino askoz eskala txikiagoan manipula daitezkeen material berriak transistore kopuru handiagoak mikrotxip are trinkoagoetan sartzeko.
Hirugarrenik, miniaturizazioan edo potentzia-erabileraren hobekuntzan zentratu beharrean, prozesatzeko abiaduran bideratu berriro erabilera-kasu zehatzetarako espezializatutako prozesadoreak sortuz. Horrek esan nahi du txip generalista bat izan beharrean, etorkizuneko ordenagailuek txip espezializatuen multzoa izan dezaketela. Adibideen artean, bideo-jokoak hobetzeko erabiltzen diren txip grafikoak daude Googleren aurkezpena Ikaskuntza automatikoko aplikazioetan espezializatutako Tensor Processing Unit (TPU) txiparena.
Azkenik, diseina ezazu software eta hodeiko azpiegitura berriak, azkarrago eta eraginkorrago funtzionatzeko, mikrotxip trinkoago/txikiagorik behar izan gabe.

Zein aukera aukeratuko du gure industria teknologikoak? Errealistan: denak.

Mooreren Legearen salbamendua

Ondorengo zerrenda hau erdieroaleen industrian lehiakideek Moore-ren legea bizirik mantentzeko erabiliko dituzten epe hurbileko eta luzeko berrikuntzei buruzko ikuspegi labur bat da. Zati hau trinko samarra da, baina irakurgarri izaten saiatuko gara.

Nanomaterialak. Erdieroaleen konpainia nagusiek, Intelek bezala, dagoeneko iragarri dute egingo dutela silizioa bota zazpi nanometroko (7nm) miniaturizazio-eskaletara iristen direnean. Silizioa ordezkatzeko hautagaien artean indio antimoniuroa (InSb), indio galio arseniuroa (InGaAs) eta silizio-germanioa (SiGe) daude, baina zirrara gehien lortzen ari den materiala karbono nanohodiak direla dirudi. Grafitoz egina —berez material harrigarriaren pila konposatua, grafenoa— karbono nanohodiak atomo lodiak izan daitezke, oso eroaleak dira eta etorkizuneko mikrotxipak bost aldiz azkarrago egingo dituztela kalkulatzen da 2020rako.

Informatika optikoa. Txipak diseinatzearen inguruko erronka handienetako bat elektroiak transistore batetik bestera jauzi egiten ez dutela ziurtatzea da, maila atomikoan sartzen zarenean infinitu zailagoa den kontua. Sortzen ari den konputazio optikoaren teknologiak elektroiak fotoiekin ordezkatu nahi ditu, argia (ez elektrizitatea) transistoretik transistorera pasatzen baita. 2017 In, ikertzaileek urrats erraldoi bat eman zuten helburu honetarako, argian oinarritutako informazioa (fotoiak) soinu-uhin gisa ordenagailuko txip batean gordetzeko gaitasuna frogatuz. Ikuspegi hori erabiliz, mikrotxipak argiaren abiaduratik gertu funtziona ditzake 2025erako.

Espintronika. Garapenean bi hamarkadatan zehar, transistore espintronikoak elektroi baten "biratzea" erabiltzen saiatzen dira informazioa irudikatzeko bere kargaren ordez. Komertzializaziotik oraindik urrun dagoen arren, konpontzen bada, transistore mota honek 10-20 milivolto baino ez ditu beharko funtzionatzeko, ohiko transistoreak baino ehunka aldiz txikiagoak; honek erdieroaleen enpresek gero eta txip txikiagoak ekoizten dituztenean dituzten gainberotze arazoak ere kenduko lituzke.

Konputazio neuromorfikoa eta memristoreak. Prozesatzeko krisi hau konpontzeko beste ikuspegi berri bat giza garunean dago. IBM eta DARPAko ikertzaileak, bereziki, mikrotxip mota berri baten garapena gidatzen ari dira, zeinaren zirkuitu integratuak garunaren konputaziorako ikuspegi deszentralizatua eta ez-linealagoa imitatzeko diseinatuta dagoen txip bat. (Begiratu hau ScienceBlogs artikulua giza garunaren eta ordenagailuen arteko desberdintasunak hobeto ulertzeko.) Lehen emaitzek adierazten dute garuna imitatzen duten txipak nabarmen eraginkorragoak izateaz gain, gaur egungo mikrotxipak baino potentzia izugarri gutxiago erabiliz funtzionatzen dutela.

Garunaren modelizazio-ikuspegi hori bera erabiliz, transistorea bera, zure ordenagailuaren mikrotxiparen eraikuntza-bloke esaera, laster memristorreak ordezkatuko du. "Ioniko" aroari hasiera emanez, memristore batek abantaila interesgarri ugari eskaintzen ditu transistore tradizionalaren aldean:

Lehenik eta behin, memristoreek haietatik igarotzen den elektroi-fluxua gogora dezakete, energia moztu arren. Itzulduta, horrek esan nahi du egunen batean ordenagailua piztu dezakezula bonbillaren abiadura berean.
Transistoreak bitarrak dira, 1ak edo 0ak. Memristoreek, berriz, mutur horien artean hainbat egoera izan ditzakete, 0.25, 0.5, 0.747, etab. Horrek gure garuneko sinapsien antzera funtzionatzen du memristoreak, eta hori gauza handia da etorkizuneko konputazio sorta bat ireki dezakeelako. aukerak.
Ondoren, memristoreek ez dute silizioa behar funtzionatzeko, erdieroaleen industriari bidea irekitzen zaio mikrotxipak gehiago miniaturizatzeko material berriak erabiliz esperimentatzeko (lehen adierazi bezala).
Azkenik, IBMk eta DARPAk konputazio neuromorfikoan egindako aurkikuntzen antzera, memristoreetan oinarritutako mikrotxipak azkarragoak dira, energia gutxiago erabiltzen dute eta gaur egun merkatuan dauden txipak baino informazio-dentsitate handiagoa eduki dezakete.

3D txipak. Mikrotxip tradizionalak eta haiek elikatzen dituzten transistoreek bi dimentsioko plano lauan funtzionatzen dute, baina 2010eko hamarkadaren hasieran, erdieroaleen konpainiak beren txipei hirugarren dimentsioa gehitzen esperimentatzen hasi ziren. 'finFET' izenekoa, transistore berri hauek txiparen gainazaletik irteten den kanal bat dute, kanaletan gertatzen denaren gaineko kontrol hobea emanez, ia ehuneko 40 azkarrago ibiltzeko eta energiaren erdia erabiliz funtzionatzeko. Alde txarra, ordea, txip hauek momentuz ekoiztea nabarmen zailagoa (garestia) da.

Baina transistore indibidualak birdiseinatzeaz harago, etorkizuna 3D txipak halaber, informatika eta datuen biltegiratzea bertikalean pilatutako geruzatan konbinatzea du helburu. Oraintxe bertan, ordenagailu tradizionalek memoria-stickak bere prozesadoretik zentimetrora gordetzen dituzte. Baina memoria eta prozesatzeko osagaiak integratuz, distantzia hori zentimetroetatik mikrometroetara jaisten da, prozesatzeko abiadura eta energia-kontsumoa izugarri hobetu ahal izateko.

Informatika kuantikoa. Etorkizunera begira, enpresa-mailako informatika zati handi batek fisika kuantikoaren lege bitxien arabera funtziona dezake. Hala ere, informatika mota honek duen garrantzia dela eta, bere kapitulua eman genion serie honen amaieran.

Super mikrotxipak ez dira negozio onak

Ados, goian irakurri duzuna ondo dago —argiaren abiaduran ibil daitezkeen giza garunaren eredu energetikoki eraginkorrak diren mikrotxipekin hitz egiten ari gara—, baina gauza da txip erdieroaleen industria ez dela. kontzeptu horiek masiboki ekoitzitako errealitate bihurtzeko gogo handiegia.

Erraldoi teknologikoak, Intel, Samsung eta AMD bezalakoak, dagoeneko milaka milioi dolar inbertitu dituzte hamarkadetan zehar silizioan oinarritutako mikrotxip tradizionalak ekoizteko. Goian adierazitako edozein kontzeptu berritara aldatzeak inbertsio horiek baztertu eta milaka milioi gehiago gastatzea ekarriko luke fabrika berriak eraikitzeko, zeroko salmenta-erregistroa duten mikrotxip modelo berriak masiboki ekoizteko.

Ez da denbora eta diru inbertsioa soilik erdieroaleen konpainia hauei eusten diena. Kontsumitzaileen eskaria gero eta indartsuagoa den mikrotxiparen eskaria ere apaltzen ari da. Pentsa: 90eko hamarkadan eta 00ko hamarkadan gehienetan, ia jakina zen zure ordenagailua edo telefonoa trukatzea, urtero ez bada, beste urtero. Horri esker, zure etxean eta lan-bizitza errazago eta hobea izan dadin ateratzen ari ziren software eta aplikazio berri guztiekin jarraitzeko. Egun, zenbat aldiz berritzen duzu merkatuan dagoen mahaigaineko edo ordenagailu eramangarriaren azken modelora?

Zure telefonoan pentsatzen duzunean, duela 20 urte superordenagailutzat hartuko zena daukazu poltsikoan. Bateriaren iraupenari eta memoriari buruzko kexak alde batera utzita, 2016az geroztik erositako telefono gehienek ezin hobeto gai dira edozein aplikazio edo mugikorrentzako joko exekutatzeko, edozein musika-bideo edo saio bihurriak zure SOrekin erreproduzitzeko edo zurekin egin nahi duzun beste edozein gauza. mugikorra. Benetan 1,000 $ edo gehiago gastatu behar dituzu urtero gauza hauek ehuneko 10-15 hobeto egiteko? Diferentzia ere nabarituko al zenuke?

Jende gehienentzat erantzuna ezetz da.

Mooreren Legearen etorkizuna

Iraganean, erdieroaleen teknologian inbertsioaren finantzaketa gehienak defentsa militarraren gastuetatik zetozen. Gero, kontsumo-elektronika-fabrikatzaileek ordezkatu zuten, eta 2020-2023rako, mikrotxip gehiago garatzeko inbertsio liderra berriro aldatuko da, oraingoan honako hauetan espezializatutako industrietatik:

Hurrengo belaunaldiko edukia. Datorren gailu holografikoak, birtualak eta errealitate areagotuak publiko orokorrean sartzeak datuen streaming-eskaera handiagoa bultzatuko du, batez ere teknologia hauek 2020ko hamarkadaren amaieran heldu eta ospea hazten diren heinean.
Cloud computing. Serie honen hurrengo zatian azalduta.
Ibilgailu autonomoak. Gurean ondo azalduta Garraioaren etorkizuna serieak.
Gauzen Interneta. Gurean azalduta Gauzen Internet gure kapituluan Interneten etorkizuna serieak.
Big data eta analitika. Datuen azterketa erregularra eskatzen duten erakundeek —demagun militarrak, espazioaren esplorazioa, eguraldi iragarleak, farmazia, logistika, etab.— gero eta ordenagailu indartsuagoak eskatzen jarraituko dute bildutako datu multzo gero eta zabalagoak aztertzeko.

Hurrengo belaunaldiko mikrotxipetarako I+Grako finantzaketa beti egongo da, baina galdera da mikroprozesadoreen forma konplexuagoetarako beharrezkoa den finantzaketa mailak Moore-ren Legearen hazkuntza-eskakizunei eutsi ote diezaiekeen. Mikrotxip mota berrietara aldatzeko eta merkaturatzeko kostua kontuan hartuta, kontsumitzaileen eskaria moteltzearekin, etorkizuneko gobernuaren aurrekontuen murrizketarekin eta atzeraldi ekonomikoarekin batera, litekeena da Moore-ren Legea 2020ko hamarkadaren hasieran moteltzea edo laburki gelditzea, amaierarako berreskuratu aurretik. 2020ko hamarkada, 2030eko hamarkada hasiera.

Mooreren Legeak berriro abiadura hartuko duen zergatik den, esan dezagun turbo-powered mikrotxipak ez direla informatikaren kanalizazioan datorren iraultza bakarra. Hurrengo gure Future of Computers seriean, hodeiko informatikaren hazkundea bultzatzen duten joerak aztertuko ditugu.