Quantumrun

KÉP HITEL: Quantumrun

Egy halványuló Moore-törvény a mikrochipek alapvető újragondolására készteti: A számítógépek jövője P4

David Tal, kiadó, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

kedd, 09. - 15:2020

A számítógépek – nagy dolog. De ahhoz, hogy igazán értékeljük azokat a feltörekvő trendeket, amelyekre eddig utaltunk a Future of Computers sorozatunkban, meg kell értenünk a számítási folyamatban lefelé száguldó forradalmakat is, vagy egyszerűen: a mikrochipek jövőjét.

Ahhoz, hogy az alapokat félretessük, meg kell értenünk a Moore-törvényt, a ma már híres törvényt, amelyet Dr. Gordon E. Moore alapított 1965-ben. Lényegében Moore rájött az évtizedekkel ezelőtt, hogy az integrált áramkörben lévő tranzisztorok száma megduplázódik. 18-24 havonta. Ez az oka annak, hogy ugyanaz a számítógép, amelyet ma 1,000 dollárért vásárol, két év múlva 500 dollárba fog kerülni.

A félvezetőipar több mint ötven éven át megfelelt ennek a törvénynek az összetett trendjéhez, megnyitva az utat az új operációs rendszerek, a videojátékok, a streaming videók, a mobilalkalmazások és minden más digitális technológia előtt, amely meghatározta modern kultúránkat. De bár úgy tűnik, hogy a növekedés iránti kereslet még fél évszázadig változatlan marad, a szilícium – amelyből minden modern mikrochip készül – nem úgy tűnik, hogy 2021 után sokkal hosszabb ideig kielégíti ezt a keresletet – utolsó jelentés a Nemzetközi technológiai ütemterv a félvezetők számára (ITRS)

Ez tényleg fizika: a félvezetőipar atomi léptékűre zsugorítja a tranzisztorokat, a szilícium hamarosan alkalmatlan lesz rá. És minél inkább ez az iparág próbálja csökkenteni a szilíciumot az optimális határokon túl, annál drágább lesz az egyes mikrochipek fejlesztése.

Ma itt tartunk. Néhány éven belül a szilícium már nem lesz költséghatékony anyag az élvonalbeli mikrochipek következő generációjának megépítéséhez. Ez a korlát forradalmat fog kikényszeríteni az elektronikában, és arra kényszeríti a félvezetőipart (és a társadalmat), hogy válasszon néhány lehetőség közül:

Az első lehetőség a szilícium további miniatürizálását célzó költséges fejlesztés lelassítása vagy befejezése, új módok megtalálása érdekében olyan mikrochipek tervezésére, amelyek további miniatürizálás nélkül több feldolgozási teljesítményt termelnek.
Másodszor, találjanak új anyagokat, amelyek sokkal kisebb léptékben manipulálhatók, mint a szilícium, hogy egyre több tranzisztort tömhessenek még sűrűbb mikrochipekbe.
Harmadszor, ahelyett, hogy a miniatürizálásra vagy az energiafelhasználás javítására összpontosítana, összpontosítson a feldolgozás sebességére azáltal, hogy speciális felhasználási esetekre specializálódott processzorokat hoz létre. Ez azt jelentheti, hogy egy általános chip helyett a jövőbeni számítógépek speciális chipekből álló fürttel rendelkezhetnek. Ilyenek például a videojátékok fejlesztésére használt grafikus chipek A Google bemutatkozása a Tensor Processing Unit (TPU) chip, amely gépi tanulási alkalmazásokra specializálódott.
Végül tervezzen új szoftvert és felhőinfrastruktúrát, amelyek gyorsabban és hatékonyabban működnek anélkül, hogy sűrűbb/kisebb mikrochipekre lenne szükség.

Melyik lehetőséget választja technológiai iparágunk? Reálisan: mindegyik.

A mentőöv Moore törvényéhez

Az alábbi lista egy rövid bepillantást ad a közeli és hosszú távú innovációkba, amelyeket a félvezetőipar versenytársai alkalmaznak a Moore-törvény életben tartása érdekében. Ez a rész kicsit sűrű, de igyekszünk olvashatóan tartani.

A nanoanyagok. A vezető félvezető cégek, mint például az Intel, már bejelentették, hogy megteszik csepp szilícium amint elérik a hét nanométeres (7nm) miniatürizálási léptéket. A szilícium helyettesítésére az indium-antimonid (InSb), az indium-gallium-arzenid (InGaAs) és a szilícium-germánium (SiGe) jelöltek, de úgy tűnik, hogy a legnagyobb izgalmat a szén nanocsövek okozzák. A grafitból – amely maga a csodaanyag, a grafén kompozit kötege – készült szén nanocsövek atomvastagságúakká alakíthatók, rendkívül vezetőképesek, és a becslések szerint 2020-ra akár ötször gyorsabbá teszik a jövőbeni mikrochipeket.

Optikai számítástechnika. A chipek tervezésével kapcsolatos egyik legnagyobb kihívás annak biztosítása, hogy az elektronok ne ugorjanak át egyik tranzisztorról a másikra – ez a megfontolás végtelenül nehezebbé válik, ha belépünk az atomi szintre. Az optikai számítástechnika feltörekvő technológiája úgy tűnik, hogy az elektronokat fotonokra cseréli, miáltal fény (nem elektromosság) jut át tranzisztorról tranzisztorra. in 2017, a kutatók óriási lépést tettek e cél felé azáltal, hogy bebizonyították, hogy képesek fényalapú információkat (fotonokat) hanghullámokként tárolni egy számítógépes chipen. Ezzel a megközelítéssel a mikrochipek 2025-re a fénysebesség közelében működhetnek.

spintronika. A fejlesztés két évtizede során a spintronikus tranzisztorok megpróbálják az elektron töltése helyett az elektron „spinjét” felhasználni az információ megjelenítésére. Bár még messze van a kereskedelmi forgalomba hozataltól, ha megoldják, ennek a tranzisztortípusnak csak 10-20 millivoltra lesz szüksége a működéshez, ami több százszor kisebb, mint a hagyományos tranzisztorok; ez megszüntetné azokat a túlmelegedési problémákat is, amelyekkel a félvezető cégek szembesülnek az egyre kisebb chipek gyártása során.

Neuromorf számítástechnika és memrisztorok. A fenyegető feldolgozási válság megoldásának másik újszerű megközelítése az emberi agyban rejlik. Különösen az IBM és a DARPA kutatói vezetik egy újfajta mikrochip kifejlesztését – egy olyan chipet, amelynek integrált áramköreit úgy tervezték, hogy utánozzák az agy decentralizáltabb és nemlineárisabb számítástechnikai megközelítését. (Nézd meg ezt ScienceBlogs cikk hogy jobban megértsük az emberi agy és a számítógépek közötti különbségeket.) A korai eredmények azt mutatják, hogy az agyat utánzó chipek nemcsak lényegesen hatékonyabbak, hanem hihetetlenül kisebb teljesítmény mellett működnek, mint a jelenlegi mikrochipek.

Ugyanezt az agymodellezési megközelítést alkalmazva magát a tranzisztort, a számítógép mikrochipének közmondásos építőkövét hamarosan felválthatja a memrisztor. Az „ionika” korszakát bevezető memrisztor számos érdekes előnnyel rendelkezik a hagyományos tranzisztorokkal szemben:

Először is, a memristorok emlékezni tudnak a rajtuk áthaladó elektronáramra – még akkor is, ha áramszünet van. Lefordítva ez azt jelenti, hogy egy nap olyan sebességgel kapcsolhatja be számítógépét, mint a villanykörte.
A tranzisztorok binárisak, 1-es vagy 0-s. Eközben a memrisztorok különböző állapotúak lehetnek e szélsőségek között, például 0.25, 0.5, 0.747 stb. Emiatt a memrisztorok az agyunkban lévő szinapszisokhoz hasonlóan működnek, és ez nagy dolog, mivel a jövőbeni számítástechnikai lehetőségek széles skáláját nyithatja meg. lehetőségeket.
Ezután a memristoroknak nincs szükségük szilíciumra a működésükhöz, ami utat nyit a félvezetőipar számára, hogy új anyagokkal kísérletezzen a mikrochipek további miniatürizálására (amint azt korábban vázoltuk).
Végül, hasonlóan az IBM és a DARPA neuromorf számítástechnikával kapcsolatos megállapításaihoz, a memrisztorokon alapuló mikrochipek gyorsabbak, kevesebb energiát fogyasztanak, és nagyobb információsűrűséget képesek tárolni, mint a jelenleg forgalomban lévő chipek.

3D chipek. A hagyományos mikrochipek és az azokat tápláló tranzisztorok lapos, kétdimenziós síkon működnek, de a 2010-es évek elején a félvezetőgyártó cégek elkezdtek kísérletezni egy harmadik dimenzióval a chipjeikbe. Ezeknek a „finFET”-nek nevezett új tranzisztoroknak van egy csatornája, amely felugrik a chip felületéről, így jobban ellenőrizhetik, mi zajlik a csatornáikban, így közel 40 százalékkal gyorsabban működnek, és feleannyi energiával működnek. Hátránya viszont, hogy ezeket a chipeket jelenleg lényegesen nehezebb (költségesebb) előállítani.

De az egyes tranzisztorok újratervezésén túl a jövő 3D chipek célja továbbá a számítástechnika és az adattárolás függőlegesen egymásra helyezett rétegekben történő kombinálása. Jelenleg a hagyományos számítógépek memóriakártyáikat centiméterre helyezik el a processzortól. De a memória és a feldolgozási komponensek integrálásával ez a távolság centiméterről mikrométerre csökken, ami óriási javulást tesz lehetővé a feldolgozási sebességben és az energiafogyasztásban.

Kvantumszámítás. A jövőbe tekintve a vállalati szintű számítástechnika nagy része működhet a kvantumfizika furcsa törvényei szerint. Ennek a fajta számítástechnikának a fontossága miatt azonban ennek a sorozatnak a legvégén saját fejezetet adtunk neki.

A szuper mikrochipek nem jó üzlet

Oké, amit fent olvastál, az mind jó és jó – ultraenergia-hatékony mikrochipekről beszélünk, amelyek az emberi agy mintájára készültek, és amelyek fénysebességgel tudnak futni –, de a helyzet az, hogy a félvezető chipeket gyártó ipar nem. túlzottan vágyik arra, hogy ezeket a fogalmakat sorozatgyártású valósággá változtassa.

A technológiai óriáscégek, mint például az Intel, a Samsung és az AMD, már több milliárd dollárt fektettek be évtizedek alatt hagyományos, szilícium alapú mikrochipek gyártására. A fent említett újszerű koncepciók bármelyikére való áttérés azt jelentené, hogy le kell vetni ezeket a befektetéseket, és több milliárdot kell költeni új gyárak építésére olyan új mikrochip modellek tömeggyártására, amelyek eladási rekordja nulla.

Nem csak az idő- és pénzbefektetés tartja vissza ezeket a félvezetőgyártó cégeket. Az egyre erősebb mikrochipek iránti fogyasztói kereslet is csökkenőben van. Gondoljon csak bele: a 90-es években és a 00-es évek nagy részében szinte magától értetődő volt, hogy ha nem is minden évben, de minden második évben elcseréli számítógépét vagy telefonját. Ez lehetővé tenné, hogy lépést tartson az összes olyan új szoftverrel és alkalmazással, amely otthoni és munkahelyi életét megkönnyíti és jobbá teszi. Manapság milyen gyakran frissít a piacon kapható legújabb asztali vagy laptop modellre?

Ha az okostelefonjára gondol, akkor a zsebében ott van egy szuperszámítógépnek számított 20 évvel ezelőtt. Az akkumulátor-üzemidővel és a memóriával kapcsolatos panaszokon kívül a 2016 óta vásárolt telefonok többsége tökéletesen képes bármilyen alkalmazást vagy mobiljátékot futtatni, bármilyen zenei videót vagy rosszindulatú facetiming munkamenetet lejátszani a SO-val, vagy bármi mást, amit szívesen megtenne. telefon. Valóban évente 1,000 dollárt vagy többet kell költenie, hogy ezeket a dolgokat 10-15 százalékkal jobban elvégezze? Észrevennéd a különbséget?

A legtöbb ember számára a válasz nem.

Moore törvényének jövője

A múltban a félvezető-technológiába irányuló beruházások nagy része katonai védelmi kiadásokból származott. Ezt követően a szórakoztatóelektronikai gyártók váltották fel, és 2020-2023-ra a mikrochipek további fejlesztésére irányuló befektetések újra eltolódnak, ezúttal a következőkre szakosodott iparágaktól:

Következő generációs tartalom. A holografikus, virtuális és kiterjesztett valóságú eszközök közelgő bevezetése a nagyközönség számára nagyobb keresletet fog generálni az adatfolyamok iránt, különösen mivel ezek a technológiák a 2020-as évek végén fejlődnek és egyre népszerűbbek.
Cloud computing. Ezt a sorozat következő részében ismertetjük.
Autonóm járművek. Alaposan kifejtve a mi A közlekedés jövője sorozat.
A dolgok internete. Kifejtve a mi A tárgyak internete fejezetünkben Az internet jövője sorozat.
Big data és elemzés. Azok a szervezetek, amelyek rendszeres adatkezelést igényelnek – gondoljunk csak a katonaságra, az űrkutatásra, az időjárás-előrejelzőkre, a gyógyszeriparra, a logisztikára stb. –, továbbra is egyre nagyobb teljesítményű számítógépekre lesz szükségük az egyre bővülő gyűjtött adatkészleteik elemzéséhez.

A következő generációs mikrochipek kutatás-fejlesztésének finanszírozása mindig lesz, de a kérdés az, hogy a mikroprocesszorok bonyolultabb formáihoz szükséges finanszírozási szint képes-e lépést tartani a Moore-törvény növekedési igényeivel. Figyelembe véve a mikrochipek új formáira való átállás és kereskedelmi forgalomba hozatal költségeit, valamint a fogyasztói kereslet lassulását, a jövőbeli költségvetési válságokat és a gazdasági recessziót, valószínű, hogy a Moore-törvény lelassul vagy rövid időre leáll a 2020-as évek elején, mielőtt későn újra fellendül. 2020-as évek, 2030-as évek eleje.

Ami azt illeti, hogy a Moore-törvény miért fog újra felgyorsulni, nos, maradjunk annyiban, hogy nem a turbóhajtású mikrochipek jelentik az egyetlen forradalmat, amely a számítástechnikai csővezetéken lezajlik. A Future of Computers sorozatunk következő része a felhőalapú számítástechnika növekedését elősegítő trendeket tárja fel.