Quantumrun

KUVAKrediitti: Quantumrun

Hiipuva Mooren laki herättää mikrosirujen perusteellisen uudelleenajattelun: Tietokoneiden tulevaisuus P4

David Tal, kustantaja, futuristi
@DavidTalWrites
LinkedIn

Tiistaina 09 - 15:2020

Tietokoneet – ne ovat iso juttu. Mutta jotta voimme todella arvostaa nousevia trendejä, joita olemme tähän mennessä vihjailleet Future of Computers -sarjassamme, meidän on myös ymmärrettävä laskennallisessa putkessa vauhdittavat vallankumoukset tai yksinkertaisesti: mikrosirujen tulevaisuus.

Saadaksemme perusasiat pois tieltä meidän on ymmärrettävä Mooren laki, nykyään kuuluisa laki, tohtori Gordon E. Moore, jonka perusti vuonna 1965. Pohjimmiltaan Moore tajusi kaikki ne vuosikymmeniä sitten, että transistorien määrä integroidussa piirissä kaksinkertaistuu 18-24 kuukauden välein. Tästä syystä sama tietokone, jonka ostat tänään 1,000 500 dollarilla, maksaa sinulle XNUMX dollaria kahden vuoden kuluttua.

Puolijohdeteollisuus on yli viidenkymmenen vuoden ajan elänyt tämän lain tiivistyvän trendilinjan mukaisesti, mikä on tasoittanut tietä uusille käyttöjärjestelmille, videopeleille, suoratoistovideoille, mobiilisovelluksille ja kaikille muille digitaalisille tekniikoille, jotka ovat määrittäneet nykyaikaisen kulttuurimme. Mutta vaikka tämän kasvun kysyntä näyttää jatkuvan tasaisena vielä puoli vuosisataa, pii – kallioperän materiaali, josta kaikki nykyaikaiset mikrosirut on rakennettu – ei näytä täyttävän kysyntää paljon pidempään vuoteen 2021 mennessä. viimeisin raportti International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

Se on todellakin fysiikkaa: puolijohdeteollisuus kutistaa transistorit atomimittakaavaan, mittakaavassa oleva pii on pian kelpaamaton. Ja mitä enemmän tämä teollisuus yrittää kutistaa piitä yli sen optimaaliset rajat, sitä kalliimmaksi jokainen mikrosirun kehitys tulee.

Tässä ollaan tänään. Muutaman vuoden kuluttua pii ei ole enää kustannustehokas materiaali seuraavan sukupolven huippuluokan mikrosirujen rakentamiseen. Tämä raja pakottaa elektroniikan vallankumouksen pakottamalla puolijohdeteollisuuden (ja yhteiskunnan) valitsemaan muutaman vaihtoehdon välillä:

Ensimmäinen vaihtoehto on hidastaa tai lopettaa kallis kehitys piin pienentämiseksi entisestään, jotta löydettäisiin uusia tapoja suunnitella mikrosiruja, jotka tuottavat enemmän prosessointitehoa ilman ylimääräistä miniatyrisointia.
Toiseksi, etsi uusia materiaaleja, joita voidaan käsitellä paljon pienemmässä mittakaavassa kuin piitä, jotta yhä suurempi määrä transistoreita voidaan täyttää entistä tiheämmille mikrosiruille.
Kolmanneksi, sen sijaan, että keskittyisit pienentämiseen tai virrankäytön parantamiseen, keskity uudelleen käsittelyn nopeuteen luomalla tiettyihin käyttötapauksiin erikoistuneita prosessoreita. Tämä voi tarkoittaa, että yhden yleissirun sijaan tulevissa tietokoneissa voi olla joukko erikoissiruja. Esimerkkejä ovat grafiikkasirut, joita käytetään videopelien parantamiseen Googlen esittely Tensor Processing Unit (TPU) -sirun, joka on erikoistunut koneoppimissovelluksiin.
Suunnittele lopuksi uusia ohjelmistoja ja pilviinfrastruktuuria, jotka voivat toimia nopeammin ja tehokkaammin ilman tiheämpiä/pienempiä mikrosiruja.

Minkä vaihtoehdon teknologia-alamme valitsee? Realistisesti: ne kaikki.

Mooren lain elinehto

Seuraava luettelo on lyhyt katsaus lyhyen ja pitkän aikavälin innovaatioihin, joita puolijohdeteollisuuden kilpailijat käyttävät pitääkseen Mooren lain hengissä. Tämä osa on hieman tiivis, mutta yritämme pitää sen luettavana.

nanomateriaalien. Johtavat puolijohdeyritykset, kuten Intel, ovat jo ilmoittaneet tekevänsä pudota silikonia kun ne saavuttavat seitsemän nanometrin (7 nm) pienoismittakaavan. Piin korvaavia ehdokkaita ovat indiumantimonidi (InSb), indiumgalliumarsenidi (InGaAs) ja pii-germanium (SiGe), mutta eniten jännitystä herättävä materiaali näyttää olevan hiilinanoputket. Grafiitista valmistetut hiilinanoputket, jotka itsessään ovat ihmemateriaalin, grafeenin, komposiittipino, voidaan tehdä atomin paksuisiksi, ne ovat erittäin johtavia ja niiden arvioidaan tekevän tulevista mikrosiruista jopa viisi kertaa nopeampia vuoteen 2020 mennessä.

Optinen laskenta. Yksi suurimmista sirujen suunnittelun haasteista on varmistaa, että elektronit eivät hyppää transistorilta toiselle – tämä asia vaikeutuu äärettömästi, kun astut atomitasolle. Optisen laskennan kehittyvä tekniikka näyttää korvaavan elektronit fotoneilla, jolloin valo (ei sähkö) siirtyy transistorista transistoriin. in 2017, tutkijat ottivat jättimäisen askeleen kohti tätä tavoitetta osoittamalla kyvyn tallentaa valoon perustuvaa tietoa (fotoneja) ääniaaltoina tietokoneen sirulle. Tätä lähestymistapaa käytettäessä mikrosirut voisivat toimia lähellä valonnopeutta vuoteen 2025 mennessä.

spintroniikan. Yli kahden vuosikymmenen aikana kehitetyt spintroniset transistorit yrittävät käyttää elektronin "spiniä" sen varauksen sijaan edustamaan tietoa. Vaikka tämä transistorin muoto on vielä kaukana kaupallistamisesta, se tarvitsee vain 10-20 millivolttia toimiakseen, satoja kertoja pienempiä kuin perinteiset transistorit; tämä poistaisi myös ylikuumenemisongelmat, joita puolijohdeyritykset kohtaavat valmistaessaan yhä pienempiä siruja.

Neuromorfinen laskenta ja memristorit. Toinen uusi lähestymistapa tämän uhkaavan käsittelykriisin ratkaisemiseksi on ihmisen aivoissa. Erityisesti IBM:n ja DARPA:n tutkijat johtavat uudenlaisen mikrosirun kehitystä – sirun, jonka integroidut piirit on suunniteltu jäljittelemään aivojen hajautetumpaa ja epälineaarisempaa lähestymistapaa tietojenkäsittelyyn. (Katso tämä ScienceBlogsin artikkeli ymmärtääksemme paremmin ihmisaivojen ja tietokoneiden välisiä eroja.) Varhaiset tulokset osoittavat, että aivoja jäljittelevät sirut eivät ole pelkästään huomattavasti tehokkaampia, vaan ne toimivat uskomattoman pienemmällä teholla kuin nykyiset mikrosirut.

Käyttämällä tätä samaa aivojen mallintamistapaa itse transistori, tietokoneesi mikrosirun rakennuspalikka, voidaan pian korvata memristorilla. "Ioniikka"-aikakauden alkaessa memristori tarjoaa useita mielenkiintoisia etuja perinteiseen transistoriin verrattuna:

Ensinnäkin memristorit voivat muistaa niiden läpi kulkevan elektronivirran – vaikka virta katkeaa. Käännettynä tämä tarkoittaa, että jonain päivänä voit käynnistää tietokoneesi samalla nopeudella kuin hehkulamppu.
Transistorit ovat binäärisiä, joko 1s tai 0s. Memristorilla voi puolestaan olla erilaisia tiloja näiden ääripäiden välillä, kuten 0.25, 0.5, 0.747 jne. Tämä saa memristorit toimimaan samalla tavalla kuin aivoissamme olevat synapsit, ja se on iso juttu, koska se voisi avata joukon tulevaisuuden tietojenkäsittelyä. mahdollisuuksia.
Seuraavaksi memristorit eivät tarvitse piitä toimiakseen, mikä avaa tien puolijohdeteollisuudelle kokeilla uusien materiaalien käyttöä mikrosirujen pienentämiseksi entisestään (kuten aiemmin on kuvattu).
Lopuksi, samoin kuin IBM:n ja DARPAn neuromorfisesta laskennasta tekemät havainnot, memristoreihin perustuvat mikrosirut ovat nopeampia, kuluttavat vähemmän energiaa ja voivat sisältää suuremman informaatiotiheyden kuin tällä hetkellä markkinoilla olevat sirut.

3D sirut. Perinteiset mikrosirut ja niitä käyttävät transistorit toimivat tasaisella, kaksiulotteisella tasolla, mutta 2010-luvun alussa puolijohdeyritykset alkoivat kokeilla kolmannen ulottuvuuden lisäämistä siruihinsa. Näissä "finFET"-nimellisissä uusissa transistoreissa on kanava, joka tarttuu ylöspäin sirun pinnasta, mikä antaa heille paremman hallinnan kanavissa tapahtuvaan, jolloin ne voivat toimia lähes 40 prosenttia nopeammin ja käyttää puolet energiasta. Huono puoli on kuitenkin se, että näiden sirujen valmistaminen on tällä hetkellä huomattavasti vaikeampaa (kalliimpaa).

Mutta yksittäisten transistorien uudelleensuunnittelun lisäksi tulevaisuus 3D sirut Tavoitteena on myös yhdistää tietojenkäsittely ja tietojen tallennus pystysuunnassa pinotuissa kerroksissa. Tällä hetkellä perinteiset tietokoneet säilyttävät muistitikut senttimetrin päässä prosessoristaan. Mutta integroimalla muisti- ja prosessointikomponentit tämä etäisyys putoaa sentteistä mikrometreihin, mikä mahdollistaa valtavan parannuksen käsittelynopeuksissa ja energiankulutuksessa.

Quantum computing. Katsellaan pidemmälle tulevaisuuteen, suuri osa yritystason tietojenkäsittelystä voisi toimia kvanttifysiikan oudoiden lakien alaisuudessa. Tämän tyyppisen laskennan tärkeyden vuoksi annoimme sille kuitenkin oman luvun tämän sarjan lopussa.

Supermikrosirut eivät ole hyvää bisnestä

Okei, se, mitä luit yllä, on hyvä ja hyvä – puhumme erittäin energiatehokkaista mikrosiruista, jotka on mallinnettu ihmisaivojen mukaan ja jotka voivat toimia valonnopeudella – mutta asia on, että puolijohdesirujen valmistusteollisuus ei ole liian innokas muuttamaan nämä käsitteet massatuotetuksi todellisuudeksi.

Tekniikan jättiläiset, kuten Intel, Samsung ja AMD, ovat jo investoineet miljardeja dollareita vuosikymmenten aikana tuottaakseen perinteisiä piipohjaisia mikrosiruja. Siirtyminen johonkin edellä mainituista uusista konsepteista merkitsisi näiden investointien romuttamista ja miljardeja enemmän uusien tehtaiden rakentamiseen uusien mikrosirumallien massatuotantoa varten, joiden myyntihistoria on nolla.

Nämä puolijohdeyritykset eivät pidättele pelkästään aika- ja rahasijoituksia. Kuluttajien kysyntä yhä tehokkaammille mikrosiruille on myös hiipumassa. Ajattele sitä: 90-luvulla ja suurimman osan 00-luvuista oli lähes itsestäänselvyys, että vaihdoit tietokoneellasi tai puhelimellasi, jos et joka vuosi, niin joka toinen vuosi. Näin voit pysyä ajan tasalla kaikista uusista ohjelmistoista ja sovelluksista, jotka olivat tulossa markkinoille helpottamaan ja parantamaan koti- ja työelämääsi. Kuinka usein päivität nykyään markkinoiden uusimpaan pöytäkone- tai kannettavaan malliin?

Kun ajattelet älypuhelintasi, sinulla on taskussasi sellainen, jota olisi pidetty supertietokoneena vain 20 vuotta sitten. Akun kestoa ja muistia koskevia valituksia lukuun ottamatta useimmat vuoden 2016 jälkeen ostetut puhelimet pystyvät täydellisesti käyttämään mitä tahansa sovellusta tai mobiilipeliä, suoratoistamaan mitä tahansa musiikkivideota tai tuhmaa facetiming-istuntoa SO:llasi tai useimpiin muihin toimintoihin, joita haluat tehdä laitteellasi. puhelin. Tarvitseeko sinun todella käyttää 1,000 dollaria tai enemmän joka vuosi tehdäksesi nämä asiat 10-15 prosenttia paremmin? Huomaatko edes eron?

Useimmille ihmisille vastaus on ei.

Mooren lain tulevaisuus

Aiemmin suurin osa puolijohdeteknologian investointirahoituksesta tuli sotilaspuolustusmenoista. Sen jälkeen kulutuselektroniikan valmistajat korvasivat sen, ja vuoteen 2020–2023 mennessä johtavat investoinnit mikrosirun lisäkehitykseen siirtyvät jälleen, tällä kertaa seuraaviin erikoistuneilta toimialoilta:

Seuraavan sukupolven sisältö. Tuleva holografisten, virtuaalisten ja lisätyn todellisuuden laitteiden esittely suurelle yleisölle lisää datan suoratoiston kysyntää, varsinkin kun nämä tekniikat kypsyvät ja kasvavat suosioltaan 2020-luvun lopulla.
Cloud computing. Selitetään tämän sarjan seuraavassa osassa.
Autonomiset ajoneuvot. Selitetty perusteellisesti meidän Liikenteen tulevaisuus sarja.
Esineiden internet. Selitetty meidän Esineiden internet luku meidän Internetin tulevaisuus sarja.
Suuret tiedot ja analytiikka. Organisaatiot, jotka vaativat säännöllistä tietojen murskaamista – ajatelkaa armeijaa, avaruustutkimusta, sääennusteita, lääkkeitä, logistiikkaa jne. – vaativat jatkossakin yhä tehokkaampia tietokoneita analysoimaan jatkuvasti laajenevia kerättyjä tietojaan.

Rahoitusta seuraavan sukupolven mikrosirujen tutkimukseen ja kehitykseen on aina olemassa, mutta kysymys on siitä, pystyykö monimutkaisempien mikroprosessorien tarvittava rahoitustaso pysymään Mooren lain kasvuvaatimuksissa. Kun otetaan huomioon uusiin mikrosirumuotoihin siirtymisen ja kaupallistamisen kustannukset sekä kuluttajien kysynnän hidastuminen, tulevat valtion budjettikriisit ja talouden taantuma, on todennäköistä, että Mooren laki hidastuu tai pysähtyy hetkeksi 2020-luvun alussa, ennen kuin se elpyy myöhään mennessä. 2020-luku, 2030-luvun alku.

Mitä tulee siihen, miksi Mooren laki kiihtyy jälleen, no, sanotaanpa vain, että turbokäyttöiset mikrosirut eivät ole ainoa vallankumous, joka tulee laskennassa. Seuraavaksi Future of Computers -sarjassamme tutkimme pilvitekniikan kasvua ruokkivia trendejä.