მქრქალი მურის კანონი მიკროჩიპების ფუნდამენტური გადახედვისთვის: კომპიუტერების მომავალი P4

კომპიუტერები - ისინი რაღაც დიდი საქმეა. მაგრამ იმისთვის, რომ ნამდვილად შევაფასოთ ის განვითარებადი ტენდენციები, რომლებზეც აქამდე მივუთითეთ კომპიუტერების მომავლის სერიებში, ჩვენ ასევე უნდა გვესმოდეს რევოლუციები, რომლებიც სპრინტირდება გამოთვლით მილსადენში, ან უბრალოდ: მიკროჩიპების მომავალი.

საფუძვლების თავიდან ასაცილებლად, ჩვენ უნდა გავიგოთ მურის კანონი, ახლა ცნობილი კანონი დოქტორმა გორდონ ე. მურმა დააარსა 1965 წელს. არსებითად, ის, რაც მურმა გააცნობიერა მთელი იმ ათწლეულების წინ არის ის, რომ ტრანზისტორების რაოდენობა ინტეგრირებულ წრეში გაორმაგდა. ყოველ 18-24 თვეში. სწორედ ამიტომ, იგივე კომპიუტერი, რომელსაც დღეს ყიდულობთ 1,000 დოლარად, ორი წლის შემდეგ 500 დოლარი დაგიჯდებათ.

ორმოცდაათ წელზე მეტი ხნის განმავლობაში, ნახევარგამტარების ინდუსტრია იცავდა ამ კანონის ტენდენციურ ხაზს, რაც გზას გაუხსნის ახალ ოპერაციულ სისტემებს, ვიდეო თამაშებს, ვიდეოს სტრიმინგს, მობილური აპლიკაციებს და ყველა სხვა ციფრულ ტექნოლოგიას, რომელმაც განსაზღვრა ჩვენი თანამედროვე კულტურა. მაგრამ მიუხედავად იმისა, რომ ამ ზრდაზე მოთხოვნა სტაბილურად დარჩება კიდევ ნახევარი საუკუნის განმავლობაში, სილიციუმი - საძირკველი მასალა, რომლითაც ყველა თანამედროვე მიკროჩიპია აგებული - არ ჩანს, რომ ის დააკმაყოფილებს ამ მოთხოვნას 2021 წელს გასული ბევრად უფრო დიდი ხნის განმავლობაში. ბოლო ანგარიში საერთაშორისო ტექნოლოგიების საგზაო რუკა ნახევარგამტარებისთვის (ITRS)

ეს მართლაც ფიზიკაა: ნახევარგამტარების ინდუსტრია ტრანზისტორებს ატომურ მასშტაბებამდე იკლებს, სასწორის სილიკონი მალე უვარგისი იქნება. და რაც უფრო მეტად შეეცდება ეს ინდუსტრია შეამციროს სილიციუმი მის ოპტიმალურ საზღვრებს, მით უფრო ძვირი გახდება თითოეული მიკროჩიპის ევოლუცია.

ეს არის ის, სადაც ჩვენ დღეს ვართ. რამდენიმე წელიწადში სილიციუმი აღარ იქნება ეკონომიური მასალა უახლესი მიკროჩიპების შემდეგი თაობის შესაქმნელად. ეს ლიმიტი აიძულებს რევოლუციას ელექტრონიკაში, აიძულებს ნახევარგამტარულ ინდუსტრიას (და საზოგადოებას) აირჩიოს რამდენიმე ვარიანტს შორის:

• პირველი ვარიანტი არის ძვირადღირებული განვითარების შენელება ან დასრულება სილიკონის შემდგომი მინიატურიზაციის მიზნით, მიკროჩიპების დიზაინის ახალი გზების პოვნის სასარგებლოდ, რომლებიც გამოიმუშავებენ მეტ გადამამუშავებელ ძალას დამატებითი მინიატურიზაციის გარეშე.

• მეორეც, იპოვნეთ ახალი მასალები, რომელთა მანიპულირება შეიძლება ბევრად უფრო მცირე მასშტაბით, ვიდრე სილიკონი, რათა კიდევ უფრო მეტი რაოდენობის ტრანზისტორები ჩაყარონ კიდევ უფრო მჭიდრო მიკროჩიპებში.

• მესამე, მინიატურიზაციაზე ან ენერგიის მოხმარების გაუმჯობესებაზე ფოკუსირების ნაცვლად, გადააკეთეთ ფოკუსირება დამუშავების სიჩქარეზე პროცესორების შექმნის გზით, რომლებიც სპეციალიზირებულია კონკრეტული გამოყენების შემთხვევებისთვის. ეს შეიძლება ნიშნავს, რომ ერთი გენერალური ჩიპის არსებობის ნაცვლად, მომავალ კომპიუტერებს შეიძლება ჰქონდეთ სპეციალიზებული ჩიპების კლასტერი. მაგალითები მოიცავს გრაფიკულ ჩიპებს, რომლებიც გამოიყენება ვიდეო თამაშების გასაუმჯობესებლად Google-ის შესავალი Tensor Processing Unit (TPU) ჩიპი, რომელიც სპეციალიზირებულია მანქანათმცოდნეობის აპლიკაციებში.

• დაბოლოს, შეიმუშავეთ ახალი პროგრამული უზრუნველყოფა და ღრუბლოვანი ინფრასტრუქტურა, რომელსაც შეუძლია უფრო სწრაფად და ეფექტურად იმუშაოს უფრო მკვრივი/პატარა მიკროჩიპების საჭიროების გარეშე.

რომელ ვარიანტს აირჩევს ჩვენი ტექნიკური ინდუსტრია? რეალურად: ყველა მათგანი.

მურის კანონის მაშველი ხაზი

შემდეგი სია არის მოკლე მიმოხილვა უახლოეს და გრძელვადიან ინოვაციებზე, რომლებსაც კონკურენტები ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში გამოიყენებენ მურის კანონის შესანარჩუნებლად. ეს ნაწილი ცოტა მკვრივია, მაგრამ ჩვენ შევეცდებით შევინარჩუნოთ წაკითხვა.

nanomaterials. ნახევარგამტარების წამყვანმა კომპანიებმა, როგორიცაა Intel, უკვე განაცხადეს, რომ გააკეთებენ ჩამოაგდეს სილიკონი როგორც კი ისინი მიაღწევენ მინიატურიზაციის მასშტაბებს შვიდი ნანომეტრით (7 ნმ). სილიციუმის ჩანაცვლების კანდიდატები არიან ინდიუმის ანტიმონიდი (InSb), ინდიუმის გალიუმის არსენიდი (InGaAs) და სილიკონ-გერმანიუმი (SiGe), მაგრამ მასალა, რომელიც ყველაზე მეტად აღელვებს, როგორც ჩანს, ნახშირბადის ნანომილებია. დამზადებულია გრაფიტისგან - თავისთავად გასაოცარი მასალის, გრაფენის კომპოზიტური დასტადან - ნახშირბადის ნანომილები შეიძლება იყოს ატომების სქელი, არიან უკიდურესად გამტარები და, სავარაუდოდ, 2020 წლისთვის მომავალ მიკროჩიპებს ხუთჯერ უფრო სწრაფად გააკეთებენ.

ოპტიკური გამოთვლა. ჩიპების დიზაინის ერთ-ერთი ყველაზე დიდი გამოწვევაა იმის უზრუნველყოფა, რომ ელექტრონები არ გადავიდნენ ერთი ტრანზისტორიდან მეორეზე - ეს საკითხი უსაზღვროდ რთულდება ატომურ დონეზე შესვლისთანავე. ოპტიკური გამოთვლის განვითარებადი ტექნოლოგია, როგორც ჩანს, ელექტრონებს ფოტონებით შეცვლის, რის შედეგადაც სინათლე (არა ელექტროენერგია) გადადის ტრანზისტორიდან ტრანზისტორიზე. in 2017მკვლევარებმა გადადგნენ გიგანტური ნაბიჯი ამ მიზნისკენ კომპიუტერის ჩიპზე შუქზე დაფუძნებული ინფორმაციის (ფოტონების) ხმის ტალღების სახით შენახვის უნარის დემონსტრირებით. ამ მიდგომის გამოყენებით, 2025 წლისთვის მიკროჩიპები სინათლის სიჩქარის მახლობლად მუშაობენ.

სპინტრონიკა. განვითარების ორი ათწლეულის მანძილზე, სპინტრონიკული ტრანზისტორები ცდილობენ გამოიყენონ ელექტრონის „სპინი“ მისი მუხტის ნაცვლად ინფორმაციის წარმოსაჩენად. მიუხედავად იმისა, რომ კომერციალიზაციამდე ჯერ კიდევ შორია, თუ მოგვარდება, ტრანზისტორის ამ ფორმას მუშაობისთვის დასჭირდება მხოლოდ 10-20 მილივოლტი, ასობით ჯერ უფრო მცირე ვიდრე ჩვეულებრივი ტრანზისტორები; ეს ასევე მოხსნის გადახურების პრობლემებს, რომლებსაც ნახევარგამტარული კომპანიები აწყდებიან უფრო პატარა ჩიპების წარმოებისას.

ნეირომორფული გამოთვლა და მემრისტორები. კიდევ ერთი ახალი მიდგომა ამ მოსალოდნელი დამუშავების კრიზისის გადასაჭრელად ადამიანის ტვინშია. კერძოდ, IBM-ისა და DARPA-ს მკვლევარები ხელმძღვანელობენ ახალი ტიპის მიკროჩიპის შემუშავებას - ჩიპი, რომლის ინტეგრირებული სქემები შექმნილია იმისთვის, რომ მიბაძოს ტვინის უფრო დეცენტრალიზებულ და არაწრფივ მიდგომას გამოთვლით. (გადახედეთ ამას ScienceBlogs-ის სტატია ადამიანის ტვინსა და კომპიუტერს შორის განსხვავებების უკეთ გასაგებად.) ადრეული შედეგები მიუთითებს, რომ ჩიპები, რომლებიც ტვინს ამსგავსებენ, არა მხოლოდ მნიშვნელოვნად უფრო ეფექტურია, არამედ ისინი მუშაობენ წარმოუდგენლად ნაკლები სიმძლავრის გამოყენებით, ვიდრე დღევანდელი მიკროჩიპები.

ტვინის მოდელირების იგივე მიდგომის გამოყენებით, თავად ტრანზისტორი, თქვენი კომპიუტერის მიკროჩიპის ანდაზური სამშენებლო ბლოკი, შესაძლოა მალე შეიცვალოს მემრისტორით. "იონიკის" ეპოქაში მემრისტორი გთავაზობთ უამრავ საინტერესო უპირატესობას ტრადიციულ ტრანზისტორისთან შედარებით:

• პირველ რიგში, მემრისტორებს შეუძლიათ დაიმახსოვრონ მათში გამავალი ელექტრონების ნაკადი - მაშინაც კი, თუ ელექტროენერგია გათიშულია. ეს ნიშნავს, რომ ერთ დღეს შეძლებთ კომპიუტერის ჩართვას იმავე სიჩქარით, როგორც თქვენი ნათურა.

• ტრანზისტორები ორობითია, ან 1 ან 0. იმავდროულად, მემრისტორებს შეიძლება ჰქონდეთ სხვადასხვა მდგომარეობა ამ უკიდურესობებს შორის, როგორიცაა 0.25, 0.5, 0.747 და ა.შ. ეს აიძულებს მემრისტორებს მოქმედებენ ჩვენს ტვინში არსებული სინაფსების მსგავსად და ეს დიდი საქმეა, რადგან მას შეუძლია გახსნას სამომავლო გამოთვლის დიაპაზონი. შესაძლებლობები.

• შემდეგი, მემრისტორებს არ სჭირდებათ სილიციუმი ფუნქციონირებისთვის, რაც გზას უხსნის ნახევარგამტარული ინდუსტრიის ექსპერიმენტებს ახალი მასალების გამოყენებით მიკროჩიპების შემდგომი მინიატურიზაციისთვის (როგორც ადრე აღვნიშნეთ).

• დაბოლოს, IBM-ისა და DARPA-ს მიერ ნეირომორფულ გამოთვლებში მიღებული დასკვნების მსგავსად, მემრისტორებზე დაფუძნებული მიკროჩიპები უფრო სწრაფია, ნაკლებ ენერგიას მოიხმარენ და შეუძლიათ უფრო მაღალი ინფორმაციის სიმკვრივის შენახვა, ვიდრე ამჟამად ბაზარზე არსებული ჩიპები.

3D ჩიპები. ტრადიციული მიკროჩიპები და ტრანზისტორები, რომლებიც მათ კვებავს, მოქმედებენ ბრტყელ, ორგანზომილებიან სიბრტყეზე, მაგრამ 2010-იანი წლების დასაწყისში ნახევარგამტარულმა კომპანიებმა დაიწყეს ექსპერიმენტები თავიანთი ჩიპებისთვის მესამე განზომილების დამატებით. ამ ახალ ტრანზისტორებს, სახელწოდებით "finFET", აქვთ არხი, რომელიც ჩერდება ჩიპის ზედაპირიდან, რაც მათ უკეთ აკონტროლებს რა ხდება მათ არხებში, რაც მათ საშუალებას აძლევს იმუშაონ თითქმის 40 პროცენტით უფრო სწრაფად და იმუშაონ ენერგიის ნახევარზე. თუმცა, მინუსი ის არის, რომ ამ ჩიპების წარმოება ამჟამად გაცილებით რთულია (ძვირადღირებული).

მაგრამ ინდივიდუალური ტრანზისტორების ხელახალი დიზაინის გარდა, მომავალი 3D ჩიპები ასევე მიზნად ისახავს გამოთვლებისა და მონაცემთა შენახვის გაერთიანებას ვერტიკალურად დაწყობილ ფენებში. ამჟამად, ტრადიციულ კომპიუტერებში ინახება მეხსიერების ჩხირები პროცესორიდან სანტიმეტრით. მაგრამ მეხსიერებისა და დამუშავების კომპონენტების ინტეგრირებით, ეს მანძილი სანტიმეტრიდან მიკრომეტრამდე იკლებს, რაც შესაძლებელს გახდის გადამუშავების სიჩქარისა და ენერგიის მოხმარების გიგანტურ გაუმჯობესებას.

კვანტური კომპიუტერი. თუ გადავხედავთ მომავალს, საწარმოს დონის გამოთვლების დიდი ნაწილი შეიძლება მუშაობდეს კვანტური ფიზიკის საშინელი კანონების ქვეშ. თუმცა, ამ ტიპის გამოთვლების მნიშვნელობიდან გამომდინარე, ჩვენ მივეცით მას საკუთარი თავი ამ სერიის ბოლოს.

სუპერ მიკროჩიპები არ არის კარგი ბიზნესი

კარგი, რაც ზემოთ წაიკითხეთ ყველაფერი კარგია - ჩვენ ვსაუბრობთ ულტრა ენერგოეფექტურ მიკროჩიპებზე, რომლებიც შექმნილია ადამიანის ტვინის მოდელის მიხედვით, რომელსაც შეუძლია სინათლის სიჩქარით მუშაობა - მაგრამ საქმე ისაა, რომ ნახევარგამტარული ჩიპების წარმოების ინდუსტრია არ არის ზედმეტად დიდი სურვილი აქვს გადააქციოს ეს ცნებები მასობრივ რეალობად.

ტექნიკურმა გიგანტებმა, როგორიცაა Intel, Samsung და AMD, უკვე ჩადეს მილიარდობით დოლარის ინვესტიცია ათწლეულების განმავლობაში ტრადიციული, სილიკონზე დაფუძნებული მიკროჩიპების წარმოებისთვის. ზემოთ აღნიშნულ რომელიმე ახალ კონცეფციაზე გადასვლა ნიშნავს ამ ინვესტიციების გაუქმებას და მილიარდების დახარჯვას ახალი ქარხნების მშენებლობაზე ახალი მიკროჩიპების მოდელების მასობრივი წარმოებისთვის, რომელთა გაყიდვების მაჩვენებელი ნულოვანია.

ეს არ არის მხოლოდ დრო და ფულის ინვესტიცია, რომელიც აკავებს ამ ნახევარგამტარ კომპანიებს. მომხმარებელთა მოთხოვნა უფრო მძლავრ მიკროჩიპებზეც იკლებს. იფიქრეთ ამაზე: 90-იან წლებში და 00-იანი წლების უმეტესობაში, თითქმის მიჩნეული იყო, რომ კომპიუტერით ან ტელეფონით ვაჭრობდით, თუ არა ყოველწლიურად, მაშინ ყოველ მეორე წელს. ეს საშუალებას მოგცემთ თვალყური ადევნოთ ყველა ახალ პროგრამულ უზრუნველყოფას და აპლიკაციებს, რომლებიც გამოდიოდნენ თქვენი სახლისა და სამუშაოს გასაადვილებლად და უკეთესად. ამ დღეებში, რამდენად ხშირად ახდენთ ბაზარზე დესკტოპის ან ლეპტოპის უახლეს მოდელზე განახლებას?

როდესაც ფიქრობთ თქვენს სმარტფონზე, ჯიბეში გაქვთ ის, რაც სუპერკომპიუტერად ითვლებოდა სულ რაღაც 20 წლის წინ. გარდა პრეტენზიებისა ბატარეის მუშაობისა და მეხსიერების შესახებ, 2016 წლიდან შეძენილი ტელეფონების უმეტესობას შესანიშნავად შეუძლია გაუშვას ნებისმიერი აპლიკაცია ან მობილური თამაში, ნებისმიერი მუსიკალური ვიდეოს სტრიმინგი ან უაზრო ფეისტაიმინგი სესიის სტრიმინგზე თქვენი SO-ით, ან ნებისმიერი სხვა რისი გაკეთებაც გსურთ ტელეფონი. ნამდვილად გჭირდებათ ყოველწლიურად 1,000 დოლარის ან მეტის დახარჯვა, რომ ეს საქმეები 10-15 პროცენტით უკეთ გააკეთოთ? შეამჩნევდით კი განსხვავებას?

ადამიანების უმეტესობისთვის პასუხი არის არა.

მურის კანონის მომავალი

წარსულში, ნახევარგამტარულ ტექნოლოგიაში საინვესტიციო დაფინანსების უმეტესი ნაწილი სამხედრო თავდაცვის ხარჯებიდან მოდიოდა. შემდეგ ის შეიცვალა სამომხმარებლო ელექტრონიკის მწარმოებლებმა და 2020-2023 წლებში წამყვანი ინვესტიციები მიკროჩიპების შემდგომ განვითარებაში კვლავ გადაინაცვლებს, ამჯერად შემდეგში სპეციალიზირებული ინდუსტრიებიდან:

• შემდეგი თაობის შინაარსი. ჰოლოგრაფიული, ვირტუალური და გაძლიერებული რეალობის მოწყობილობების მოახლოებული წარდგენა ფართო საზოგადოებისთვის გამოიწვევს მონაცემთა ნაკადის უფრო მეტ მოთხოვნას, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ეს ტექნოლოგიები მწიფდება და იზრდება პოპულარობა 2020-იანი წლების ბოლოს.

• Cloud computing. ახსნილია ამ სერიის შემდეგ ნაწილში.

• ავტონომიური მანქანები. საფუძვლიანად არის ახსნილი ჩვენს ტრანსპორტის მომავალი სერია.

• ნივთების ინტერნეტი. ახსნილია ჩვენში ინტერნეტი Things თავი ჩვენს ინტერნეტის მომავალი სერია.

• დიდი მონაცემები და ანალიტიკა. ორგანიზაციები, რომლებიც საჭიროებენ მონაცემთა რეგულარულ შეკუმშვას, მაგალითად, სამხედროებს, კოსმოსურ კვლევებს, ამინდის პროგნოზის მწარმოებლებს, ფარმაცევტულ პროდუქტებს, ლოჯისტიკას და ა.შ.

მომავალი თაობის მიკროჩიპებზე R&D დაფინანსება ყოველთვის იარსებებს, მაგრამ საკითხავია, შეუძლია თუ არა მიკროპროცესორების უფრო რთული ფორმებისთვის საჭირო დაფინანსების დონე მურის კანონის ზრდის მოთხოვნებს. მიკროჩიპების ახალ ფორმებზე გადასვლისა და კომერციალიზაციის ღირებულების გათვალისწინებით, მომხმარებელთა მოთხოვნის შენელებასთან ერთად, მომავალი სამთავრობო ბიუჯეტის შეფერხება და ეკონომიკური რეცესია, დიდია შანსი, რომ მურის კანონი შენელდება ან მოკლედ შეჩერდება 2020-იანი წლების დასაწყისში, მანამ, სანამ უკან დაიხვეწება გვიან. 2020-იანი წლები, 2030-იანი წლების დასაწყისი.

რაც შეეხება იმას, თუ რატომ დააჩქარებს მურის კანონი ისევ, მოდით ვთქვათ, რომ ტურბო-ენერგიით მომუშავე მიკროჩიპები არ არის ერთადერთი რევოლუცია, რომელიც გამოთვლის მილსადენზე მოდის. შემდეგი ჩვენს კომპიუტერების მომავლის სერიებში, ჩვენ შევისწავლით ტენდენციებს, რომლებიც ხელს უწყობს ღრუბლოვანი გამოთვლის ზრდას.

კომპიუტერების მომავალი სერია

განვითარებადი მომხმარებლის ინტერფეისები კაცობრიობის ხელახლა განსაზღვრისთვის: კომპიუტერების მომავალი P1

პროგრამული უზრუნველყოფის განვითარების მომავალი: კომპიუტერების მომავალი P2

ციფრული შენახვის რევოლუცია: კომპიუტერების მომავალი P3

Cloud Computing ხდება დეცენტრალიზებული: კომპიუტერების მომავალი P5

რატომ ეჯიბრებიან ქვეყნები ყველაზე დიდი სუპერკომპიუტერების შექმნას? კომპიუტერების მომავალი P6

როგორ შეცვლის კვანტური კომპიუტერები სამყაროს: კომპიუტერების მომავალი P7