Mooreov zakon koji blijedi kao povod za temeljito preispitivanje mikročipova: budućnost računala P4

Računala—ona su na neki način velika stvar. Ali da bismo stvarno cijenili nove trendove koje smo do sada nagovijestili u našoj seriji Future of Computers, također moramo razumjeti revolucije koje jure računalnim cjevovodom, ili jednostavno: budućnost mikročipova.

Da bismo maknuli osnove, moramo razumjeti Mooreov zakon, danas poznati zakon koji je dr. Gordon E. Moore osnovao 1965. U biti, ono što je Moore shvatio prije svih tih desetljeća jest da se broj tranzistora u integriranom krugu udvostručuje svakih 18 do 24 mjeseca. Zbog toga će vas isto računalo koje danas kupite za 1,000 dolara za dvije godine koštati 500 dolara.

Više od pedeset godina, industrija poluvodiča je živjela u skladu s trendovskom linijom ovog zakona, utirući put novim operativnim sustavima, video igrama, streamingu videa, mobilnim aplikacijama i svakoj drugoj digitalnoj tehnologiji koja je definirala našu modernu kulturu. No dok se čini da će potražnja za ovim rastom ostati stabilna još pola stoljeća, silicij — temeljni materijal od kojeg su izgrađeni svi moderni mikročipovi — ne čini se da će zadovoljiti tu potražnju još puno duže od 2021. — prema posljednje izvješće iz Međunarodni tehnološki plan za poluvodiče (ITRS)

To je zapravo fizika: industrija poluvodiča smanjuje tranzistore na atomsku ljestvicu, za koju silicij uskoro neće biti prikladan. I što više ova industrija pokušava smanjiti silicij iznad svojih optimalnih granica, to će svaka evolucija mikročipa postati skuplja.

Ovdje smo danas. Za nekoliko godina silicij više neće biti isplativ materijal za izradu sljedeće generacije vrhunskih mikročipova. Ovo ograničenje će izazvati revoluciju u elektronici prisiljavajući industriju poluvodiča (i društvo) da bira između nekoliko opcija:

• Prva opcija je usporiti ili prekinuti skupi razvoj radi daljnje minijaturizacije silicija, u korist pronalaženja novih načina za dizajn mikročipova koji generiraju veću procesorsku snagu bez dodatne minijaturizacije.

• Drugo, pronađite nove materijale kojima se može manipulirati u daleko manjim razmjerima od silicija da biste stavili još veći broj tranzistora u još gušće mikročipove.

• Treće, umjesto da se fokusirate na minijaturizaciju ili poboljšanja potrošnje energije, ponovno se fokusirajte na brzinu obrade stvaranjem procesora koji su specijalizirani za specifične slučajeve upotrebe. To bi moglo značiti da umjesto jednog općeg čipa buduća računala mogu imati skupinu specijaliziranih čipova. Primjeri uključuju grafičke čipove koji se koriste za poboljšanje videoigara Googleov uvod čipa Tensor Processing Unit (TPU) koji je specijaliziran za aplikacije strojnog učenja.

• Konačno, dizajnirajte novi softver i infrastrukturu u oblaku koja može raditi brže i učinkovitije bez potrebe za gušćim/manjim mikročipovima.

Koju će opciju izabrati naša tehnološka industrija? Realno: svi.

Žica spasa za Mooreov zakon

Sljedeći popis kratak je uvid u kratkoročne i dugoročne inovacije koje će konkurenti u industriji poluvodiča koristiti da održe Mooreov zakon na životu. Ovaj je dio malo gust, ali pokušat ćemo ga održati čitljivim.

nanomaterijala. Vodeće tvrtke poluvodiča, poput Intela, već su najavile da hoće kap silicij nakon što dosegnu ljestvicu minijaturizacije od sedam nanometara (7nm). Kandidati za zamjenu silicija uključuju indij antimonid (InSb), indij galij arsenid (InGaAs) i silicij-germanij (SiGe), ali čini se da su materijal koji izaziva najviše uzbuđenja ugljikove nanocijevi. Napravljene od grafita - koji je sam po sebi kompozitni skup čudesnog materijala, grafena - ugljične nanocijevi mogu se napraviti atomima debelim, izuzetno su vodljive i procjenjuje se da će buduće mikročipove do 2020. napraviti do pet puta brže.

Optičko računalstvo. Jedan od najvećih izazova u vezi s projektiranjem čipova je osigurati da elektroni ne preskaču s jednog tranzistora na drugi - razmatranje koje postaje beskrajno teže kada uđete na atomsku razinu. Nova tehnologija optičkog računalstva nastoji zamijeniti elektrone fotonima, pri čemu se svjetlost (ne elektricitet) prenosi od tranzistora do tranzistora. U 2017, istraživači su napravili veliki korak prema ovom cilju demonstrirajući sposobnost pohranjivanja informacija temeljenih na svjetlosti (fotona) kao zvučnih valova na računalni čip. Koristeći ovaj pristup, mikročipovi bi mogli raditi brzinom blizu svjetlosti do 2025. godine.

Spintronika. Tijekom dva desetljeća razvoja, spintronički tranzistori pokušavaju koristiti 'spin' elektrona umjesto njegovog naboja za predstavljanje informacija. Iako je još daleko od komercijalizacije, ako se riješi, ovom obliku tranzistora trebat će samo 10-20 milivolti za rad, stotinama puta manje od konvencionalnih tranzistora; ovo bi također uklonilo probleme s pregrijavanjem s kojima se poluvodičke tvrtke suočavaju kada proizvode sve manje čipove.

Neuromorfno računalstvo i memristori. Još jedan novi pristup rješavanju ove prijeteće krize obrade leži u ljudskom mozgu. Istraživači IBM-a i DARPA-e posebno vode razvoj nove vrste mikročipa — čipa čiji su integrirani krugovi dizajnirani da oponašaju decentraliziraniji i nelinearniji pristup mozga računalstvu. (Pogledajte ovo Članak na znanstvenom blogu kako bismo bolje razumjeli razlike između ljudskog mozga i računala.) Prvi rezultati pokazuju da su čipovi koji oponašaju mozak ne samo znatno učinkovitiji, već rade koristeći nevjerojatno manje snage od današnjih mikročipova.

Koristeći isti pristup modeliranju mozga, sam tranzistor, poslovični građevni blok mikročipa vašeg računala, uskoro bi mogao biti zamijenjen memristorom. Uvodeći u eru "ionike", memristor nudi brojne zanimljive prednosti u odnosu na tradicionalne tranzistore:

• Prvo, memristori mogu zapamtiti protok elektrona koji prolazi kroz njih - čak i ako se prekine napajanje. Prevedeno, to znači da biste jednog dana mogli uključiti svoje računalo istom brzinom kao i vaša žarulja.

• Tranzistori su binarni, 1s ili 0s. Memristori, u međuvremenu, mogu imati različita stanja između tih ekstrema, poput 0.25, 0.5, 0.747, itd. Zbog toga memristori rade slično sinapsama u našem mozgu, a to je velika stvar jer bi moglo otvoriti niz budućih računala mogućnosti.

• Dalje, memristorima nije potreban silicij za funkcioniranje, otvarajući put industriji poluvodiča da eksperimentira s korištenjem novih materijala za daljnju minijaturizaciju mikročipova (kao što je ranije navedeno).

• Konačno, slično otkrićima IBM-a i DARPA-e o neuromorfnom računalstvu, mikročipovi temeljeni na memristorima su brži, troše manje energije i mogli bi držati veću gustoću informacija od čipova koji su trenutno na tržištu.

3D čipovi. Tradicionalni mikročipovi i tranzistori koji ih pokreću rade na ravnoj, dvodimenzionalnoj ravnini, ali početkom 2010-ih poluvodičke tvrtke počele su eksperimentirati s dodavanjem treće dimenzije svojim čipovima. Nazvani 'finFET', ovi novi tranzistori imaju kanal koji strši s površine čipa, što im daje bolju kontrolu nad onim što se događa u njihovim kanalima, dopuštajući im da rade gotovo 40 posto brže i rade koristeći upola manje energije. Nedostatak je, međutim, to što je ove čipove trenutno znatno teže (skuplje) proizvesti.

Ali osim redizajniranja pojedinačnih tranzistora, budućnost 3D čipovi također imaju za cilj kombinirati računalstvo i pohranu podataka u okomito naslaganim slojevima. Trenutačno tradicionalna računala svoje memorijske kartice nalaze centimetrima od procesora. Ali integracijom memorije i komponenti za obradu, ta udaljenost pada sa centimetara na mikrometre, što omogućuje ogromno poboljšanje u brzinama obrade i potrošnji energije.

Kvantno računanje. Gledajući dalje u budućnost, velik dio računalstva na razini poduzeća mogao bi funkcionirati pod jezivim zakonima kvantne fizike. Međutim, zbog važnosti ove vrste računalstva, dali smo joj posebno poglavlje na samom kraju ove serije.

Super mikročipovi nisu dobar posao

U redu, ono što ste pročitali gore je sve u redu - govorimo o ultra energetski učinkovitim mikročipovima po uzoru na ljudski mozak koji mogu raditi brzinom svjetlosti - ali stvar je u tome što industrija proizvodnje poluvodičkih čipova nije pretjerano željni da te koncepte pretvore u masovno proizvedenu stvarnost.

Tehnološki divovi, poput Intela, Samsunga i AMD-a, već su uložili milijarde dolara tijekom desetljeća u proizvodnju tradicionalnih mikročipova temeljenih na siliciju. Prelazak na bilo koji od gore spomenutih novih koncepata značio bi ukidanje tih ulaganja i trošenje dodatnih milijardi na izgradnju novih tvornica za masovnu proizvodnju novih modela mikročipova koji imaju nultu prodajnu evidenciju.

Nije samo ulaganje vremena i novca ono što koči ove poluvodičke tvrtke. Potražnja potrošača za sve snažnijim mikročipovima također je u opadanju. Razmislite o tome: tijekom 90-ih i većeg dijela 00-ih bilo je gotovo da ćete mijenjati svoje računalo ili telefon, ako ne svake godine, onda svake druge godine. To bi vam omogućilo da budete u toku sa svim novim softverom i aplikacijama koje su izlazile kako bi vaš dom i posao učinile lakšim i boljim. Koliko često ovih dana nadograđujete na najnoviji model stolnog ili prijenosnog računala na tržištu?

Kada pomislite na svoj pametni telefon, u džepu imate nešto što bi se prije samo 20 godina smatralo superračunalom. Osim pritužbi na trajanje baterije i memoriju, većina telefona kupljenih od 2016. savršeno je sposobna pokrenuti bilo koju aplikaciju ili mobilnu igricu, reproducirati bilo koji glazbeni video ili zločestu sesiju facetiminga s vašim SO-om, ili većinu bilo čega drugog što biste željeli učiniti na svom telefon. Trebate li doista potrošiti 1,000 USD ili više svake godine da biste te stvari radili 10-15 posto bolje? Biste li uopće primijetili razliku?

Za većinu ljudi, odgovor je ne.

Budućnost Mooreovog zakona

U prošlosti je većina ulaganja u tehnologiju poluvodiča dolazila iz troškova vojne obrane. Zatim su ga zamijenili proizvođači potrošačke elektronike, a do 2020.-2023. vodeće ulaganje u daljnji razvoj mikročipova ponovno će se prebaciti, ovaj put iz industrija specijaliziranih za sljedeće:

• Sadržaj sljedeće generacije. Nadolazeće uvođenje holografskih, virtualnih i uređaja za proširenu stvarnost široj javnosti potaknut će veću potražnju za strujanjem podataka, posebno kako ove tehnologije sazrijevaju i postaju sve popularnije tijekom kasnih 2020-ih.

• Cloud computing. Objašnjeno u sljedećem dijelu ove serije.

• Autonomna vozila. Detaljno objašnjeno u našem Budućnost prometa Serija.

• Internet stvari. Objašnjeno u našem Internet stvari poglavlje u našem Budućnost Interneta Serija.

• Veliki podaci i analitika. Organizacije koje zahtijevaju redovitu obradu podataka – mislimo na vojsku, istraživanje svemira, prognostičare vremena, farmaceutske proizvode, logistiku itd. – i dalje će zahtijevati sve snažnija računala za analizu svojih skupova prikupljenih podataka koji se stalno šire.

Financiranje za istraživanje i razvoj mikročipova sljedeće generacije uvijek će postojati, no pitanje je može li razina financiranja potrebna za složenije oblike mikroprocesora pratiti zahtjeve rasta Mooreova zakona. S obzirom na troškove prelaska na i komercijalizaciju novih oblika mikročipova, zajedno sa usporavanjem potrošačke potražnje, budućim državnim proračunskim škripcima i gospodarskom recesijom, šanse su da će se Mooreov zakon usporiti ili nakratko zaustaviti početkom 2020-ih, prije nego što se ponovno pokrene do kraja 2020-ih, ranih 2030-ih.

Što se tiče razloga zašto će se Mooreov zakon ponovno ubrzati, pa, recimo samo da mikročipovi s turbo pogonom nisu jedina revolucija koja dolazi u računalni cjevovod. Sljedeće u našoj seriji Future of Computers, istražit ćemo trendove koji potiču rast računalstva u oblaku.

Future of Computers serije

Nova korisnička sučelja za redefiniranje čovječanstva: budućnost računala P1

Budućnost razvoja softvera: Budućnost računala P2

Revolucija digitalne pohrane: budućnost računala P3

Računalstvo u oblaku postaje decentralizirano: budućnost računala P5

Zašto se zemlje natječu u izgradnji najvećih superračunala? Budućnost računala P6

Kako će kvantna računala promijeniti svijet: budućnost računala P7