Մուրի օրենք, որը կհանգեցնի միկրոչիպերի հիմնարար վերանայմանը. Համակարգիչների ապագան P4

Համակարգիչներ. դրանք մի տեսակ մեծ խնդիր են: Բայց որպեսզի իսկապես գնահատենք զարգացող միտումները, որոնք մենք մինչ այժմ ակնարկել ենք մեր «Համակարգիչների ապագան» շարքում, մենք նաև պետք է հասկանանք հեղափոխությունները, որոնք արագորեն հետևում են հաշվողական խողովակաշարին, կամ պարզապես՝ միկրոչիպերի ապագան:

Հիմունքները ճանապարհից հանելու համար մենք պետք է հասկանանք Մուրի օրենքը, այժմ հայտնի օրենքը, որը հիմնվել է դոկտոր Գորդոն Ի. Մուրը 1965 թվականին: Ըստ էության, այն, ինչ Մուրը հասկացավ տասնամյակներ առաջ, այն է, որ տրանզիստորների թիվը ինտեգրալ շղթայում կրկնապատկվում է: 18-ից 24 ամիսը մեկ: Ահա թե ինչու նույն համակարգիչը, որը դուք այսօր գնում եք 1,000 դոլարով, երկու տարի հետո ձեզ կարժենա 500 դոլար:

Ավելի քան հիսուն տարի կիսահաղորդչային արդյունաբերությունը համապատասխանում է այս օրենքի բարդ տենդենցին՝ ճանապարհ հարթելով նոր օպերացիոն համակարգերի, տեսախաղերի, հոսքային տեսանյութերի, բջջային հավելվածների և ցանկացած այլ թվային տեխնոլոգիայի համար, որը սահմանում է մեր ժամանակակից մշակույթը: Բայց թեև այս աճի պահանջարկը, կարծես, կայուն կմնա ևս կես դար, սիլիցիումը, որը հիմնաքարային նյութն է, որով կառուցված են բոլոր ժամանակակից միկրոչիպերը, չի երևում, որ այն կբավարարի այդ պահանջարկը շատ ավելի երկար՝ անցած 2021 թ. վերջին զեկույցը Միջազգային տեխնոլոգիական ճանապարհային քարտեզ կիսահաղորդիչների համար (ITRS)

Դա իսկապես ֆիզիկա է. կիսահաղորդչային արդյունաբերությունը տրանզիստորները կրճատում է ատոմային մասշտաբով, սիլիցիումի սիլիցիումը շուտով պիտանի չի լինի: Եվ որքան շատ այս արդյունաբերությունը փորձի կրճատել սիլիցիումը իր օպտիմալ սահմաններից, այնքան ավելի թանկ կդառնա յուրաքանչյուր միկրոչիպի էվոլյուցիան:

Ահա թե որտեղ ենք մենք այսօր: Մի քանի տարի անց սիլիցիումը այլևս չի լինի ծախսարդյունավետ նյութ նորագույն միկրոչիպերի հաջորդ սերնդի ստեղծման համար: Այս սահմանը կստիպի հեղափոխություն էլեկտրոնիկայի ոլորտում՝ ստիպելով կիսահաղորդչային արդյունաբերությանը (և հասարակությանը) ընտրել մի քանի տարբերակների միջև.

• Առաջին տարբերակը դանդաղեցնելն է կամ դադարեցնել ծախսատար զարգացումը սիլիցիումի հետագա փոքրացման համար՝ ի օգուտ միկրոչիպերի նախագծման նոր ուղիների որոնման, որոնք ավելի շատ մշակող հզորություն են առաջացնում՝ առանց լրացուցիչ մանրացման:

• Երկրորդ՝ գտնել նոր նյութեր, որոնք կարող են մանիպուլյացիայի ենթարկվել շատ ավելի փոքր մասշտաբներով, քան սիլիկոնը՝ ավելի մեծ թվով տրանզիստորներ լցնել նույնիսկ ավելի խիտ միկրոչիպերի մեջ:

• Երրորդ, մանրանկարչության կամ էներգիայի օգտագործման բարելավման վրա կենտրոնանալու փոխարեն, վերակենտրոնացեք վերամշակման արագության վրա՝ ստեղծելով պրոցեսորներ, որոնք մասնագիտացված են հատուկ օգտագործման դեպքերի համար: Սա կարող է նշանակել, որ մեկ ընդհանուր չիպ ունենալու փոխարեն ապագա համակարգիչները կարող են ունենալ հատուկ չիպերի կլաստեր: Օրինակները ներառում են գրաֆիկական չիպեր, որոնք օգտագործվում են տեսախաղերը բարելավելու համար Google-ի ներածություն Tensor Processing Unit (TPU) չիպի, որը մասնագիտացած է մեքենայական ուսուցման հավելվածներում:

• Վերջապես, նախագծեք նոր ծրագրակազմ և ամպային ենթակառուցվածք, որոնք կարող են աշխատել ավելի արագ և արդյունավետ՝ առանց ավելի խիտ/փոքր միկրոչիպերի կարիքի:

Ո՞ր տարբերակն է ընտրելու մեր տեխնոլոգիական արդյունաբերությունը: Իրատեսորեն՝ բոլորը:

Մուրի օրենքի փրկօղակը

Հետևյալ ցանկը հակիրճ ակնարկ է կիսահաղորդչային արդյունաբերության մրցակիցների մոտ և երկարաժամկետ նորարարություններին, որոնք կօգտագործեն Մուրի օրենքը կենդանի պահելու համար: Այս հատվածը մի փոքր խիտ է, բայց մենք կփորձենք այն ընթեռնելի պահել:

Nanomaterials. Կիսահաղորդչային առաջատար ընկերությունները, ինչպիսին Intel-ն է, արդեն հայտարարել են, որ կանեն թողնել սիլիցիում երբ նրանք հասնեն յոթ նանոմետրի (7 նմ) մանրացման սանդղակների: Սիլիցիումի փոխարինման թեկնածուները ներառում են ինդիումի հակամոնիդը (InSb), ինդիումի գալիումի արսենիդը (InGaAs) և սիլիցիում-գերմանիումը (SiGe), բայց նյութը, որն ամենաշատը հուզում է, կարծես ածխածնային նանոխողովակներն են: Պատրաստված է գրաֆիտից, որն ինքնին հրաշագործ նյութի՝ գրաֆենի բաղադրյալ կույտ է, ածխածնային նանոխողովակները կարող են հաստ ատոմներ ունենալ, չափազանց հաղորդունակ են և ենթադրվում է, որ մինչև 2020 թվականը ապագա միկրոչիպերը կստեղծեն հինգ անգամ ավելի արագ:

Օպտիկական հաշվարկ. Չիպերի նախագծման ամենամեծ մարտահրավերներից մեկն այն է, որ էլեկտրոնները չանցնեն մի տրանզիստորից մյուսը, ինչը անսահմանորեն դժվարանում է ատոմային մակարդակ մտնելուց հետո: Օպտիկական հաշվարկների առաջացող տեխնոլոգիան, ըստ երևույթին, փոխարինում է էլեկտրոններին ֆոտոններով, որոնց միջոցով լույսը (ոչ էլեկտրականությունը) անցնում է տրանզիստորից տրանզիստոր: ի 2017, հետազոտողները հսկայական քայլ կատարեցին դեպի այս նպատակը՝ ցուցադրելով լույսի վրա հիմնված տեղեկատվությունը (ֆոտոնները) որպես ձայնային ալիքներ համակարգչային չիպի վրա պահելու ունակությունը: Օգտագործելով այս մոտեցումը՝ մինչև 2025 թվականը միկրոչիպերը կարող են աշխատել լույսի արագությանը մոտ:

Spintronics. Ավելի քան երկու տասնամյակ զարգացած, սպինտրոնիկ տրանզիստորները փորձում են օգտագործել էլեկտրոնի «սպին» լիցքի փոխարեն՝ տեղեկատվություն ներկայացնելու համար: Առևտրայնացումից դեռ երկար ճանապարհ կա, եթե լուծվի, տրանզիստորի այս ձևը գործելու համար կպահանջվի ընդամենը 10-20 միլիվոլտ, հարյուրավոր անգամ ավելի փոքր, քան սովորական տրանզիստորները: Սա նաև կվերացնի կիսահաղորդչային ընկերությունների գերտաքացման խնդիրները, երբ ավելի փոքր չիպեր են արտադրում:

Նեյրոմորֆային հաշվարկ և մեմրիստորներ. Մեկ այլ նոր մոտեցում՝ այս մոտեցող վերամշակման ճգնաժամը լուծելու համար, գտնվում է մարդու ուղեղում: IBM-ի և DARPA-ի հետազոտողները, մասնավորապես, ղեկավարում են նոր տեսակի միկրոչիպի մշակումը. չիպ, որի ինտեգրված սխեմաները նախագծված են ընդօրինակելու ուղեղի ավելի ապակենտրոնացված և ոչ գծային մոտեցումը հաշվարկների նկատմամբ: (Ստուգեք սա ScienceBlogs հոդվածը մարդու ուղեղի և համակարգիչների միջև տարբերություններն ավելի լավ հասկանալու համար:) Վաղ արդյունքները ցույց են տալիս, որ ուղեղը նմանակող չիպերը ոչ միայն զգալիորեն ավելի արդյունավետ են, այլև աշխատում են անհավատալիորեն ավելի քիչ հզորությամբ, քան ներկայիս միկրոչիպերը:

Օգտագործելով ուղեղի մոդելավորման այս նույն մոտեցումը, հենց տրանզիստորը, որը ձեր համակարգչի միկրոչիպի կառուցման բլոկն է, շուտով կարող է փոխարինվել մեմրիստորով: Սկսելով «իոնիկայի» դարաշրջանը՝ մեմրիստորն առաջարկում է մի շարք հետաքրքիր առավելություններ ավանդական տրանզիստորի նկատմամբ.

• Նախ, մեմրիստորները կարող են հիշել իրենց միջով անցնող էլեկտրոնի հոսքը, նույնիսկ եթե հոսանքը անջատված է: Թարգմանված է, սա նշանակում է, որ մի օր դուք կարող եք միացնել ձեր համակարգիչը նույն արագությամբ, ինչ ձեր լամպը:

• Տրանզիստորները երկուական են՝ 1 կամ 0: Միևնույն ժամանակ, մեմրիստորները կարող են ունենալ տարբեր վիճակներ այդ ծայրահեղությունների միջև, օրինակ՝ 0.25, 0.5, 0.747 և այլն: Սա ստիպում է մեմրիստորներին գործել մեր ուղեղի սինապսների նման, և դա մեծ խնդիր է, քանի որ այն կարող է բացել ապագա հաշվարկների շրջանակը: հնարավորությունները.

• Այնուհետև, մեմրիստորները սիլիցիումի կարիք չունեն գործելու համար՝ ճանապարհ բացելով կիսահաղորդչային արդյունաբերության համար՝ փորձարկելու նոր նյութեր օգտագործելու միկրոչիպերի հետագա փոքրացման համար (ինչպես նշվեց ավելի վաղ):

• Ի վերջո, IBM-ի և DARPA-ի կողմից նեյրոմորֆային հաշվարկների վերաբերյալ բացահայտումների նման, մեմրիստորների վրա հիմնված միկրոչիպերն ավելի արագ են, ավելի քիչ էներգիա են ծախսում և կարող են ավելի բարձր տեղեկատվական խտություն պահել, քան ներկայումս շուկայում առկա չիպերը:

3D չիպսեր. Ավանդական միկրոչիպերը և դրանց սնուցող տրանզիստորները գործում են հարթ, երկչափ հարթության վրա, սակայն 2010-ականների սկզբին կիսահաղորդչային ընկերությունները սկսեցին փորձարկել իրենց չիպերին երրորդ հարթություն ավելացնելու ուղղությամբ: Այս նոր տրանզիստորները, որոնք կոչվում են «finFET», ունեն մի ալիք, որը կպչում է չիպի մակերևույթից, ինչը նրանց ավելի լավ վերահսկում է այն, ինչ տեղի է ունենում իրենց ալիքներում, ինչը թույլ է տալիս նրանց աշխատել գրեթե 40 տոկոսով ավելի արագ և աշխատել օգտագործելով էներգիայի կեսը: Բացասական կողմը, սակայն, այն է, որ այս չիպերի արտադրությունն այս պահին զգալիորեն ավելի դժվար է (թանկարժեք):

Բայց առանձին տրանզիստորների վերանախագծումից դուրս, ապագան 3D չիպսեր Նաև նպատակ ունի միավորել հաշվարկները և տվյալների պահպանումը ուղղահայաց շերտավորված շերտերում: Հենց հիմա ավանդական համակարգիչներն իրենց հիշողության կցորդները պահում են պրոցեսորից սանտիմետրերով: Սակայն հիշողության և մշակման բաղադրիչները ինտեգրելով՝ այս հեռավորությունը սանտիմետրից իջնում ​​է մինչև միկրոմետր՝ հնարավորություն տալով հսկա բարելավել մշակման արագությունը և էներգիայի սպառումը:

Քվանտային հաշվարկ. Հետագայում նայելով ապագային, ձեռնարկության մակարդակի հաշվողական տեխնիկայի մեծ մասը կարող է գործել քվանտային ֆիզիկայի ահավոր օրենքների ներքո: Այնուամենայնիվ, հաշվի առնելով այս տեսակի հաշվարկների կարևորությունը, մենք դրան տվեցինք իր սեփական գլուխը այս շարքի վերջում:

Սուպեր միկրոչիպերը լավ բիզնես չեն

Լավ, այնպես որ այն, ինչ դուք կարդացել եք վերևում, ամեն ինչ լավ է, և մենք խոսում ենք ծայրահեղ էներգաարդյունավետ միկրոչիպերի մասին, որոնք մոդելավորվել են մարդու ուղեղի հիման վրա, որոնք կարող են աշխատել լույսի արագությամբ, բայց բանն այն է, որ կիսահաղորդչային չիպերի արտադրության արդյունաբերությունը այդպես չէ: չափից դուրս ցանկանալով այս հասկացությունները վերածել զանգվածային իրականության:

Տեխնոլոգիական հսկաները, ինչպիսիք են Intel-ը, Samsung-ը և AMD-ն, արդեն միլիարդավոր դոլարներ են ներդրել տասնամյակների ընթացքում ավանդական, սիլիցիումի վրա հիմնված միկրոչիպեր արտադրելու համար: Վերը նշված նոր հասկացություններից որևէ մեկին անցնելը կնշանակի չեղյալ համարել այդ ներդրումները և ավելի միլիարդներ ծախսել նոր գործարաններ կառուցելու համար՝ նոր միկրոչիպերի մոդելներ զանգվածային արտադրության համար, որոնք ունեն զրոյական վաճառքի արդյունք:

Միայն ժամանակի և փողի ներդրումը չէ, որ հետ է պահում կիսահաղորդչային այս ընկերություններին: Ավելի հզոր միկրոչիպերի սպառողների պահանջարկը նույնպես նվազում է: Մտածեք դրա մասին. 90-ականների և 00-ականների մեծ մասի ընթացքում գրեթե ենթադրվում էր, որ դուք պետք է առևտուր անեք ձեր համակարգչի կամ հեռախոսի հետ, եթե ոչ ամեն տարի, ապա ամեն երկու տարի: Սա ձեզ թույլ կտա հետևել բոլոր նոր ծրագրերին և հավելվածներին, որոնք դուրս էին գալիս ձեր տան և աշխատանքային կյանքը ավելի հեշտ և ավելի լավ դարձնելու համար: Այս օրերին, որքա՞ն հաճախ եք թարմացնում շուկայում առկա աշխատասեղանի կամ նոութբուքի վերջին մոդելը:

Երբ մտածում եք ձեր սմարթֆոնի մասին, ձեր գրպանում կա այն, ինչ սուպերհամակարգիչ կհամարվեր ընդամենը 20 տարի առաջ: Բացի մարտկոցի տևողության և հիշողության հետ կապված բողոքներից, 2016 թվականից ի վեր գնված հեռախոսների մեծամասնությունը հիանալի ի վիճակի է գործարկել ցանկացած հավելված կամ բջջային խաղ, հեռարձակել որևէ երաժշտական ​​տեսահոլովակ կամ անվայել ֆեյսթայմինգ սեսիա ձեր SO-ի միջոցով կամ ցանկացած այլ բան, որը դուք կցանկանայիք անել ձեր սարքում: հեռախոս. Իսկապե՞ս պետք է ամեն տարի 1,000 դոլար կամ ավելի ծախսել այս բաները 10-15 տոկոսով ավելի լավ կատարելու համար: Դուք նույնիսկ կնկատե՞ք տարբերությունը:

Մարդկանց մեծամասնության համար պատասխանը ոչ է:

Մուրի օրենքի ապագան

Նախկինում կիսահաղորդչային տեխնոլոգիաների ոլորտում ներդրումների մեծ մասը ստացվում էր ռազմական պաշտպանության ծախսերից: Այնուհետև այն փոխարինվեց սպառողական էլեկտրոնիկայի արտադրողներով, և մինչև 2020-2023 թվականներին միկրոչիպերի հետագա զարգացման համար առաջատար ներդրումները կրկին կփոխարինվեն, այս անգամ հետևյալ ոլորտներում մասնագիտացած արդյունաբերություններից.

• Հաջորդ սերնդի բովանդակություն. Հոլոգրաֆիկ, վիրտուալ և ընդլայնված իրականության սարքերի գալիք ներդրումը լայն հանրությանը կխթանի տվյալների հոսքի ավելի մեծ պահանջարկ, հատկապես, երբ այս տեխնոլոգիաները հասունանում և ժողովրդականություն են վայելում 2020-ականների վերջին:

• Cloud Computing. Բացատրված է այս շարքի հաջորդ մասում:

• Ինքնավար տրանսպորտային միջոցներ. Մանրակրկիտ բացատրված է մեր Տրանսպորտի ապագան նյութեր.

• Իրերի ինտերնետ: Բացատրված է մեր Ինտերնետ բաների գլուխ մեր Ինտերնետի ապագան նյութեր.

• Մեծ տվյալներ և վերլուծություն. Կազմակերպությունները, որոնք պահանջում են կանոնավոր տվյալների սեղմում, օրինակ՝ ռազմական, տիեզերական հետազոտություններ, եղանակի կանխատեսողներ, դեղագործություն, լոգիստիկա և այլն, կշարունակեն պահանջել ավելի հզոր համակարգիչներ՝ իրենց հավաքագրված տվյալների անընդհատ ընդլայնվող հավաքածուները վերլուծելու համար:

Հաջորդ սերնդի միկրոչիպերի հետազոտության և զարգացման ֆինանսավորումը միշտ գոյություն կունենա, բայց հարցն այն է, թե արդյոք միկրոպրոցեսորների ավելի բարդ ձևերի համար անհրաժեշտ ֆինանսավորման մակարդակը կարող է համապատասխանել Մուրի օրենքի աճի պահանջներին: Հաշվի առնելով միկրոչիպերի նոր ձևերին անցնելու և առևտրայնացնելու ծախսերը, որոնք զուգորդվում են սպառողների պահանջարկի դանդաղեցմամբ, ապագա պետական ​​բյուջեի կրճատումներով և տնտեսական անկումներով, հավանական է, որ Մուրի օրենքը կդանդաղի կամ կարճատև կանգ կառնի 2020-ականների սկզբին, մինչև վերջ կընդունվի: 2020-ականներ, 2030-ականների սկիզբ.

Ինչ վերաբերում է այն հարցին, թե ինչու է Մուրի օրենքը նորից արագություն կբարձրացնի, լավ, եկեք միայն ասենք, որ տուրբո-սնուցմամբ աշխատող միկրոչիպերը միակ հեղափոխությունը չեն, որն իջնում ​​է հաշվողական խողովակաշարով: Հաջորդիվ մեր «Համակարգիչների ապագա» շարքում մենք կուսումնասիրենք ամպային հաշվարկների աճը խթանող միտումները:

Համակարգիչների ապագան շարք

Մարդկությունը վերասահմանելու համար առաջացող օգտատերերի միջերեսներ. Համակարգիչների ապագան P1

Ծրագրային ապահովման մշակման ապագան. Համակարգիչների ապագան P2

Թվային պահեստավորման հեղափոխություն. Համակարգիչների ապագան P3

Cloud computing-ը դառնում է ապակենտրոն. Համակարգիչների ապագան P5

Ինչո՞ւ են երկրները մրցում ամենամեծ սուպերհամակարգիչները ստեղծելու համար: Համակարգիչների ապագան P6

Ինչպես քվանտային համակարգիչները կփոխեն աշխարհը. Համակարգիչների ապագան P7