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Une loi de Moore qui s'estompe pour susciter une refonte fondamentale des micropuces : l'avenir des ordinateurs P4

David Tal, éditeur, futuriste
@DavidTalWrites
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Mardi, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Les ordinateurs, c'est un gros problème. Mais pour vraiment apprécier les tendances émergentes auxquelles nous avons fait allusion jusqu'à présent dans notre série Future of Computers, nous devons également comprendre les révolutions qui s'abattent sur le pipeline informatique, ou simplement : l'avenir des micropuces.

Pour éliminer les bases, nous devons comprendre la loi de Moore, la désormais célèbre loi que le Dr Gordon E. Moore a fondée en 1965. Essentiellement, ce que Moore a réalisé il y a toutes ces décennies, c'est que le nombre de transistors dans un circuit intégré double tous les 18 à 24 mois. C'est pourquoi le même ordinateur que vous achetez aujourd'hui pour 1,000 500 $ vous coûtera XNUMX $ dans deux ans.

Depuis plus de cinquante ans, l'industrie des semi-conducteurs s'est montrée à la hauteur de la tendance croissante de cette loi, ouvrant la voie aux nouveaux systèmes d'exploitation, aux jeux vidéo, à la vidéo en streaming, aux applications mobiles et à toutes les autres technologies numériques qui ont défini notre culture moderne. Mais alors que la demande pour cette croissance semble rester stable pendant encore un demi-siècle, le silicium - le matériau de base avec lequel toutes les puces électroniques modernes sont construites - ne semble pas répondre à cette demande bien plus longtemps après 2021 - selon le dernier rapport de la Feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs (ITRS)

C'est vraiment de la physique : l'industrie des semi-conducteurs réduit les transistors à l'échelle atomique, une échelle à laquelle le silicium sera bientôt inadapté. Et plus cette industrie essaie de réduire le silicium au-delà de ses limites optimales, plus chaque évolution de micropuce deviendra coûteuse.

C'est là où nous en sommes aujourd'hui. Dans quelques années, le silicium ne sera plus un matériau rentable pour construire la prochaine génération de micropuces de pointe. Cette limite forcera une révolution dans l'électronique en forçant l'industrie des semi-conducteurs (et la société) à choisir entre quelques options :

La première option consiste à ralentir ou à mettre fin à un développement coûteux pour miniaturiser davantage le silicium, en faveur de la recherche de nouvelles façons de concevoir des micropuces qui génèrent plus de puissance de traitement sans miniaturisation supplémentaire.
Deuxièmement, trouver de nouveaux matériaux qui peuvent être manipulés à des échelles bien plus petites que le silicium pour insérer un nombre toujours plus grand de transistors dans des micropuces encore plus denses.
Troisièmement, au lieu de vous concentrer sur la miniaturisation ou l'amélioration de la consommation d'énergie, recentrez-vous sur la vitesse de traitement en créant des processeurs spécialisés pour des cas d'utilisation spécifiques. Cela pourrait signifier qu'au lieu d'avoir une puce généraliste, les futurs ordinateurs pourraient avoir un groupe de puces spécialisées. Les exemples incluent les puces graphiques utilisées pour améliorer les jeux vidéo pour Présentation de Google de la puce Tensor Processing Unit (TPU) spécialisée dans les applications d'apprentissage automatique.
Enfin, concevez de nouveaux logiciels et une infrastructure cloud qui peuvent fonctionner plus rapidement et plus efficacement sans avoir besoin de micropuces plus denses/plus petites.

Quelle option notre industrie technologique choisira-t-elle ? Réaliste : tous.

La bouée de sauvetage de la loi de Moore

La liste suivante est un bref aperçu des innovations à court et à long terme que les concurrents de l'industrie des semi-conducteurs utiliseront pour maintenir la loi de Moore en vie. Cette partie est un peu dense, mais nous essaierons de la garder lisible.

nanomatériaux. Les principales sociétés de semi-conducteurs, comme Intel, ont déjà annoncé qu'elles allaient déposer du silicium une fois qu'ils atteignent des échelles de miniaturisation de sept nanomètres (7 nm). Les candidats pour remplacer le silicium comprennent l'antimoniure d'indium (InSb), l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) et le silicium-germanium (SiGe), mais le matériau qui suscite le plus d'intérêt semble être les nanotubes de carbone. Fabriqués à partir de graphite - lui-même un empilement composite du matériau miracle, le graphène - les nanotubes de carbone peuvent être épais comme des atomes, sont extrêmement conducteurs et devraient rendre les futures micropuces jusqu'à cinq fois plus rapides d'ici 2020.

Informatique optique. L'un des plus grands défis liés à la conception de puces est de s'assurer que les électrons ne sautent pas d'un transistor à l'autre, une considération qui devient infiniment plus difficile une fois que vous entrez dans le niveau atomique. La technologie émergente de l'informatique optique cherche à remplacer les électrons par des photons, grâce auxquels la lumière (et non l'électricité) passe d'un transistor à l'autre. En 2013, j'ai nommé Ambassadeur Amina C. Mohamed, mon secrétaire du Cabinet (Ministre) du Ministère des Affaires étrangères et du Commerce international. Depuis lors, l'Ambassadeur Mohamed a dirigé avec brio notre action diplomatique. Nous avons bénéficié énormément de ses démarches tant régionalesqu’internationales d'importance à la fois nationale et continentale. , les chercheurs ont fait un pas de géant vers cet objectif en démontrant la capacité de stocker des informations basées sur la lumière (photons) sous forme d'ondes sonores sur une puce informatique. En utilisant cette approche, les micropuces pourraient fonctionner près de la vitesse de la lumière d'ici 2025.

La spintronique. Plus de deux décennies de développement, les transistors spintroniques tentent d'utiliser le "spin" d'un électron au lieu de sa charge pour représenter l'information. Bien qu'elle soit encore loin de la commercialisation, si elle est résolue, cette forme de transistor n'aura besoin que de 10 à 20 millivolts pour fonctionner, des centaines de fois plus petites que les transistors conventionnels ; cela éliminerait également les problèmes de surchauffe auxquels les sociétés de semi-conducteurs sont confrontées lors de la production de puces de plus en plus petites.

Informatique neuromorphique et memristors. Une autre approche novatrice pour résoudre cette crise de traitement imminente réside dans le cerveau humain. Des chercheurs d'IBM et de la DARPA, en particulier, dirigent le développement d'un nouveau type de micropuce, une puce dont les circuits intégrés sont conçus pour imiter l'approche informatique plus décentralisée et non linéaire du cerveau. (Regarde ça Article de ScienceBlogs pour mieux comprendre les différences entre le cerveau humain et les ordinateurs.) Les premiers résultats indiquent que les puces qui imitent le cerveau sont non seulement beaucoup plus efficaces, mais elles fonctionnent en utilisant incroyablement moins de puissance que les micropuces actuelles.

En utilisant cette même approche de modélisation du cerveau, le transistor lui-même, le bloc de construction proverbial de la puce électronique de votre ordinateur, pourrait bientôt être remplacé par le memristor. Inaugurant l'ère des « ioniques », un memristor offre un certain nombre d'avantages intéressants par rapport au transistor traditionnel :

Tout d'abord, les memristors peuvent se souvenir du flux d'électrons qui les traverse, même en cas de coupure de courant. Traduit, cela signifie qu'un jour vous pourriez allumer votre ordinateur à la même vitesse que votre ampoule.
Les transistors sont binaires, 1 ou 0. Les memristors, quant à eux, peuvent avoir une variété d'états entre ces extrêmes, comme 0.25, 0.5, 0.747, etc. Cela fait que les memristors fonctionnent de la même manière que les synapses de notre cerveau, et c'est un gros problème car cela pourrait ouvrir une gamme d'informatique future. possibilités.
Ensuite, les memristors n'ont pas besoin de silicium pour fonctionner, ce qui permet à l'industrie des semi-conducteurs d'expérimenter l'utilisation de nouveaux matériaux pour miniaturiser davantage les micropuces (comme indiqué précédemment).
Enfin, à l'instar des découvertes d'IBM et de la DARPA sur l'informatique neuromorphique, les micropuces basées sur des memristors sont plus rapides, consomment moins d'énergie et pourraient contenir une densité d'informations plus élevée que les puces actuellement sur le marché.

Puces 3D. Les micropuces traditionnelles et les transistors qui les alimentent fonctionnent sur un plan plat et bidimensionnel, mais au début des années 2010, les sociétés de semi-conducteurs ont commencé à expérimenter l'ajout d'une troisième dimension à leurs puces. Appelés «finFET», ces nouveaux transistors ont un canal qui dépasse de la surface de la puce, ce qui leur donne un meilleur contrôle sur ce qui se passe dans leurs canaux, leur permettant de fonctionner près de 40% plus rapidement et de fonctionner en utilisant la moitié de l'énergie. L'inconvénient, cependant, est que ces puces sont nettement plus difficiles (coûteuses) à produire pour le moment.

Mais au-delà de la refonte des transistors individuels, l'avenir Puces 3D visent également à combiner l'informatique et le stockage de données dans des couches empilées verticalement. À l'heure actuelle, les ordinateurs traditionnels abritent leurs clés USB à quelques centimètres de leur processeur. Mais en intégrant la mémoire et les composants de traitement, cette distance passe du centimètre au micromètre, permettant une amélioration considérable des vitesses de traitement et de la consommation d'énergie.

L'informatique quantique. En regardant plus loin dans le futur, une grande partie de l'informatique au niveau de l'entreprise pourrait fonctionner selon les lois bizarres de la physique quantique. Cependant, en raison de l'importance de ce type d'informatique, nous lui avons donné son propre chapitre à la toute fin de cette série.

Les super micropuces ne sont pas une bonne affaire

D'accord, donc ce que vous avez lu ci-dessus est très bien - nous parlons de micropuces ultra économes en énergie modélisées d'après le cerveau humain qui peut fonctionner à la vitesse de la lumière - mais le fait est que l'industrie de la fabrication de puces semi-conductrices n'est pas trop désireux de transformer ces concepts en une réalité produite en série.

Des géants de la technologie, comme Intel, Samsung et AMD, ont déjà investi des milliards de dollars au fil des décennies pour produire des micropuces traditionnelles à base de silicium. Passer à l'un des nouveaux concepts mentionnés ci-dessus signifierait abandonner ces investissements et dépenser des milliards de plus dans la construction de nouvelles usines pour produire en masse de nouveaux modèles de micropuces qui ont un historique de ventes de zéro.

Ce n'est pas seulement l'investissement en temps et en argent qui freine ces entreprises de semi-conducteurs. La demande des consommateurs pour des micropuces toujours plus puissantes est également en baisse. Pensez-y : pendant les années 90 et la plupart des années 00, il était presque évident que vous échangeriez votre ordinateur ou votre téléphone, sinon tous les ans, du moins tous les deux ans. Cela vous permettrait de suivre tous les nouveaux logiciels et applications qui sortiraient pour rendre votre vie à la maison et au travail plus facile et meilleure. De nos jours, à quelle fréquence effectuez-vous une mise à niveau vers le dernier modèle d'ordinateur de bureau ou d'ordinateur portable sur le marché ?

Quand vous pensez à votre smartphone, vous avez dans votre poche ce qui aurait été considéré comme un supercalculateur il y a à peine 20 ans. Mis à part les plaintes concernant la durée de vie de la batterie et la mémoire, la plupart des téléphones achetés depuis 2016 sont parfaitement capables d'exécuter n'importe quelle application ou jeu mobile, de diffuser n'importe quelle vidéo musicale ou session de facetiming coquine avec votre SO, ou presque tout ce que vous voudriez faire sur votre téléphoner. Avez-vous vraiment besoin de dépenser 1,000 10 $ ou plus chaque année pour faire ces choses 15 à XNUMX % mieux ? Remarqueriez-vous même la différence?

Pour la plupart des gens, la réponse est non.

L'avenir de la loi de Moore

Dans le passé, la plupart des investissements dans la technologie des semi-conducteurs provenaient des dépenses de défense militaire. Il a ensuite été remplacé par des fabricants d'électronique grand public et, d'ici 2020-2023, les principaux investissements dans le développement de puces électroniques se déplaceront à nouveau, cette fois des industries spécialisées dans les domaines suivants :

Contenu nouvelle génération. L'introduction prochaine d'appareils de réalité holographique, virtuelle et augmentée pour le grand public stimulera une plus grande demande de streaming de données, d'autant plus que ces technologies mûrissent et gagnent en popularité à la fin des années 2020.
Cloud computing. Expliqué dans la prochaine partie de cette série.
Véhicules autonomes. Expliqué en détail dans notre L'avenir des transports série.
Internet des objets. Expliqué dans notre Internet des Objets (IoT) chapitre de notre L'avenir d'Internet série.
Mégadonnées et analyses. Les organisations qui ont besoin d'une analyse régulière des données - pensez à l'armée, à l'exploration spatiale, aux prévisionnistes météorologiques, aux produits pharmaceutiques, à la logistique, etc. - continueront d'exiger des ordinateurs de plus en plus puissants pour analyser leurs ensembles de données collectées en constante expansion.

Le financement de la R&D dans les micropuces de nouvelle génération existera toujours, mais la question est de savoir si le niveau de financement nécessaire pour des formes plus complexes de microprocesseurs peut suivre les exigences de croissance de la loi de Moore. Compte tenu du coût du passage à de nouvelles formes de micropuces et de leur commercialisation, associé au ralentissement de la demande des consommateurs, aux futures restrictions budgétaires du gouvernement et aux récessions économiques, il est probable que la loi de Moore ralentira ou s'arrêtera brièvement au début des années 2020, avant de reprendre à la fin Années 2020, début des années 2030.

Quant à savoir pourquoi la loi de Moore reprendra de la vitesse, eh bien, disons simplement que les micropuces turbo-alimentées ne sont pas la seule révolution à venir dans le pipeline informatique. Ensuite, dans notre série Future of Computers, nous explorerons les tendances qui alimentent la croissance du cloud computing.