Мур заңы микрочиптерді түбегейлі қайта қарауға себепші болады: компьютерлердің болашағы P4

Компьютерлер - бұл үлкен мәселе. Бірақ біз «Компьютерлердің болашағы» сериясында осы уақытқа дейін айтқан пайда болған трендтерді шынымен бағалау үшін біз есептеу құбырындағы төңкерістерді немесе жай ғана: микрочиптердің болашағын түсінуіміз керек.

Негіздерді жолдан шығару үшін біз Мур заңын, қазір әйгілі доктор Гордон Э. Мур 1965 жылы негізін салған заңын түсінуіміз керек. Негізінде, Мурдың осы онжылдықтар бұрын түсінгені - интегралдық схемадағы транзисторлар саны екі есе артады. 18-24 ай сайын. Сондықтан бүгін 1,000 долларға сатып алған компьютер екі жылдан кейін 500 доллар тұрады.

Елу жылдан астам уақыт бойы жартылай өткізгіш өнеркәсібі осы заңның күрделі тренд сызығына сәйкес өмір сүріп, жаңа операциялық жүйелерге, бейне ойындарға, ағынды бейнелерге, мобильді қосымшаларға және заманауи мәдениетімізді айқындаған кез келген басқа сандық технологияға жол ашты. Бірақ бұл өсімге деген сұраныс тағы жарты ғасыр бойы тұрақты болып қалатындай болып көрінгенімен, кремний (барлық заманауи микрочиптер жасалған негізгі материал) 2021 жылдан әлдеқайда ұзағырақ сұранысты қанағаттандыра алмайтын сияқты. соңғы есеп Жартылай өткізгіштерге арналған халықаралық технологиялық жол картасы (ITRS)

Бұл шын мәнінде физика: жартылай өткізгіштер өнеркәсібі транзисторларды атомдық масштабқа дейін қысқартады, масштабтағы кремний жақын арада жарамсыз болады. Бұл сала кремнийді өзінің оңтайлы шегінен ұзартуға тырысқан сайын, әрбір микрочиптің эволюциясы қымбатырақ болады.

Міне, біз бүгін осындамыз. Бірнеше жылдан кейін кремний бұдан былай заманауи микрочиптердің келесі буынын жасау үшін үнемді материал болмайды. Бұл шектеу жартылай өткізгіштер өнеркәсібін (және қоғамды) бірнеше нұсқалардың бірін таңдауға мәжбүрлеу арқылы электроникада төңкеріс жасауға мәжбүр етеді:

• Бірінші нұсқа - қосымша миниатюризациясыз көбірек өңдеу қуатын генерациялайтын микрочиптерді жобалаудың жаңа жолдарын табу үшін кремнийді одан әрі кішірейту үшін қымбат тұратын әзірлеуді баяулату немесе тоқтату.

• Екіншіден, одан да көп транзисторларды одан да тығыз микрочиптерге толтыру үшін кремнийге қарағанда әлдеқайда аз масштабта өңдеуге болатын жаңа материалдарды табыңыз.

• Үшіншіден, миниатюризацияға немесе қуатты пайдалануды жақсартуға назар аударудың орнына, нақты пайдалану жағдайлары үшін мамандандырылған процессорларды жасау арқылы өңдеу жылдамдығына қайта назар аударыңыз. Бұл бір жалпы чиптің орнына болашақ компьютерлерде арнайы чиптердің кластері болуы мүмкін дегенді білдіруі мүмкін. Мысалдар бейне ойындарын жақсарту үшін пайдаланылатын графикалық чиптерді қамтиды Google кіріспесі машиналық оқыту қолданбаларына маманданған Tensor Processing Unit (TPU) чипінің.

• Соңында, тығыз/кіші микрочиптерді қажет етпестен жылдамырақ және тиімдірек жұмыс істей алатын жаңа бағдарламалық жасақтаманы және бұлтты инфрақұрылымды жобалаңыз.

Біздің технологиялық индустрия қай нұсқаны таңдайды? Шындығында: олардың барлығы.

Мур заңының өмірлік желісі

Төмендегі тізім жартылай өткізгіш өнеркәсібіндегі бәсекелестер Мур заңын сақтау үшін қолданатын жақын және ұзақ мерзімді инновацияларға қысқаша шолу. Бұл бөлік біршама тығыз, бірақ біз оны оқуға болатын етіп сақтауға тырысамыз.

Наноматериалдар. Жетекші жартылай өткізгіш компаниялар, Intel сияқты, бұл туралы жариялады кремний тастаңыз олар жеті нанометрлік (7нм) кішірейту шкалаларына жеткенде. Кремнийді ауыстыруға үміткерлер арасында индий антимониді (InSb), индий галлий арсениді (InGaAs) және кремний-германий (SiGe) бар, бірақ ең қызықты материал көміртекті нанотүтіктер болып көрінеді. Графиттен жасалған - өзі ғажайып материалдың композициялық стегі, графен - көміртекті нанотүтіктер атомдарды қалың етіп жасауға болады, өте өткізгіш және болашақ микрочиптерді 2020 жылға қарай бес есе жылдамырақ жасайды деп есептеледі.

Оптикалық есептеулер. Чиптерді жобалаудағы ең үлкен қиындықтардың бірі - электрондардың бір транзистордан екінші транзисторға өтіп кетпеуін қамтамасыз ету - атомдық деңгейге кіргеннен кейін бұл мәселені шешу қиынырақ болады. Оптикалық есептеулердің жаңа технологиясы электрондарды фотондармен алмастырады, соның арқасында жарық (электр емес) транзистордан транзисторға өтеді. 2017 жылы, зерттеушілер жарыққа негізделген ақпаратты (фотондар) дыбыс толқындары ретінде компьютерлік чипте сақтау мүмкіндігін көрсету арқылы осы мақсатқа үлкен қадам жасады. Осы тәсілді қолдана отырып, микрочиптер 2025 жылға қарай жарық жылдамдығына жақын жұмыс істей алады.

Спинтроника. Жиырма онжылдықтың ішінде спинтрондық транзисторлар ақпаратты көрсету үшін оның зарядының орнына электронның «спині» қолдануға тырысады. Коммерцияландырудан әлі ұзақ жол болса да, егер шешілсе, транзистордың бұл түрі жұмыс істеу үшін тек 10-20 милливольтты қажет етеді, бұл әдеттегі транзисторлардан жүздеген есе аз; бұл сондай-ақ жартылай өткізгіш компаниялар кез келген кішірек чиптерді шығарған кезде кездесетін қызып кету мәселелерін жояды.

Нейроморфтық есептеулер және мемристорлар. Осы келе жатқан өңдеу дағдарысын шешудің тағы бір жаңа тәсілі адам миында жатыр. IBM және DARPA зерттеушілері, атап айтқанда, микрочиптің жаңа түрін - интегралды схемалары мидың орталықтандырылмаған және есептеулерге сызықтық емес тәсілін имитациялауға арналған чипті әзірлеуге жетекшілік етеді. (Мынаны қараңыз ScienceBlogs мақаласы адам миы мен компьютерлер арасындағы айырмашылықтарды жақсырақ түсіну үшін.) Алғашқы нәтижелер миға еліктейтін чиптер айтарлықтай тиімдірек болып қана қоймайды, сонымен қатар олар қазіргі микрочиптерге қарағанда өте аз қуатпен жұмыс істейді.

Дәл осындай миды модельдеу тәсілін қолдана отырып, транзистордың өзі, сіздің компьютеріңіздің микрочипінің мақал-мәтелдік құрылыс блогы жақын арада мемристормен ауыстырылуы мүмкін. «Ионика» дәуірін бастаған мемристор дәстүрлі транзисторға қарағанда бірқатар қызықты артықшылықтарды ұсынады:

• Біріншіден, мемристорлар олар арқылы өтетін электрон ағынын есте сақтай алады, тіпті егер қуат өшірілсе де. Аударылғанда, бұл бір күні компьютеріңізді шам шамымен бірдей жылдамдықпен қосуға болатынын білдіреді.

• Транзисторлар екілік, 1 немесе 0. Сонымен қатар, мемристорлардың 0.25, 0.5, 0.747 және т.б. сияқты экстремалдар арасында әртүрлі күйлері болуы мүмкін. Бұл мемристорларды біздің миымыздағы синапстарға ұқсас жұмыс істейді және бұл үлкен мәселе, өйткені ол болашақ есептеулердің ауқымын аша алады. мүмкіндіктер.

• Әрі қарай, мемристорлардың жұмыс істеуі үшін кремний қажет емес, жартылай өткізгіштер өнеркәсібіне микрочиптерді одан әрі кішірейту үшін жаңа материалдарды қолдану тәжірибесіне жол ашады (бұрын айтылғандай).

• Ақырында, IBM және DARPA нейроморфтық есептеулерге жасаған тұжырымдарына ұқсас, мемристорларға негізделген микрочиптер қазіргі уақытта нарықтағы чиптерге қарағанда жылдамырақ, энергияны аз пайдаланады және ақпараттың жоғары тығыздығын сақтай алады.

3D чиптері. Дәстүрлі микрочиптер және оларға қуат беретін транзисторлар тегіс, екі өлшемді жазықтықта жұмыс істейді, бірақ 2010 жылдардың басында жартылай өткізгіш компаниялар өздерінің чиптеріне үшінші өлшемді қосу тәжірибесін бастады. «FinFET» деп аталатын бұл жаңа транзисторлардың чиптің бетінен шығып тұратын арнасы бар, бұл олардың арналарында болып жатқан нәрселерді жақсырақ басқаруға мүмкіндік береді, бұл оларға 40 пайызға жуық жылдамырақ жұмыс істеуге және энергияның жартысын пайдаланып жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Алайда, кемшілігі - бұл чиптерді өндіру қазіргі уақытта айтарлықтай қиынырақ (қымбат).

Бірақ жеке транзисторларды қайта жобалаудан басқа, болашақ 3D чиптері сонымен қатар тігінен жинақталған қабаттарда есептеу мен деректерді сақтауды біріктіруді мақсат етеді. Дәл қазір дәстүрлі компьютерлерде жад таяқшалары процессордан сантиметр қашықтықта орналасқан. Бірақ жад пен өңдеу компоненттерін біріктіру арқылы бұл қашықтық сантиметрден микрометрге дейін төмендейді, бұл өңдеу жылдамдығын және энергияны тұтынуды айтарлықтай жақсартуға мүмкіндік береді.

Кванттық есептеу. Болашаққа қарайтын болсақ, кәсіпорын деңгейіндегі есептеулердің үлкен бөлігі кванттық физиканың таңқаларлық заңдары бойынша жұмыс істей алады. Дегенмен, есептеудің бұл түрінің маңыздылығына байланысты біз осы серияның соңында оның жеке тарауын бердік.

Супер микрочиптер жақсы бизнес емес

Жарайды, сондықтан сіз жоғарыда оқығандарыңыз жақсы және жақсы - біз жарық жылдамдығымен жұмыс істей алатын адам миынан үлгіленген ультра энергияны үнемдейтін микрочиптерді айтып отырмыз, бірақ мәселе жартылай өткізгіш чип жасау өнеркәсібі емес. бұл тұжырымдамаларды жаппай өндірілетін шындыққа айналдыруға тым құмар.

Intel, Samsung және AMD сияқты технологиялық алпауыттар кремний негізіндегі дәстүрлі микрочиптерді шығару үшін ондаған жылдар бойы миллиардтаған доллар инвестициялады. Жоғарыда аталған жаңа тұжырымдамалардың кез келгеніне ауысу бұл инвестициялардан бас тартуды және сату көрсеткіші нөлге тең жаңа микрочип үлгілерін жаппай шығару үшін жаңа зауыттар салуға миллиардтаған қаражатты жұмсауды білдіреді.

Бұл жартылай өткізгіш компанияларды ұстап тұрған уақыт пен ақша инвестициясы ғана емес. Күшті микрочиптерге тұтынушылардың сұранысы да азайып барады. Ойлап көріңізші: 90-шы жылдар мен 00-ші жылдардың көпшілігінде сіз өзіңіздің компьютеріңізбен немесе телефоныңызбен, егер жыл сайын болмаса, екінші жыл сайын сауда жасайтын едіңіз. Бұл сіздің үйіңіз бен жұмысыңыздың өміріңізді жеңілдету және жақсарту үшін шығатын барлық жаңа бағдарламалық жасақтама мен қолданбалардан хабардар болуға мүмкіндік береді. Бұл күндері нарықтағы ең соңғы жұмыс үстелі немесе ноутбук үлгісіне қаншалықты жиі жаңартасыз?

Смартфон туралы ойласаңыз, сіздің қалтаңызда осыдан 20 жыл бұрын суперкомпьютер болып саналатын нәрсе бар. Батареяның қызмет ету мерзімі мен жадқа қатысты шағымдардан басқа, 2016 жылдан бері сатып алынған телефондардың көпшілігі кез келген қолданбаны немесе мобильді ойынды іске қосуға, кез келген музыкалық бейнені немесе SO-мен тентек фейстайминг сеансын ағынмен жіберуге немесе компьютеріңізде істегіңіз келетін кез келген нәрсені жасауға өте қабілетті. телефон. Осы нәрселерді 1,000-10 пайызға жақсырақ орындау үшін сізге жыл сайын 15 немесе одан да көп доллар жұмсау керек пе? Сіз тіпті айырмашылықты байқайсыз ба?

Көптеген адамдар үшін жауап жоқ.

Мур заңының болашағы

Бұрын жартылай өткізгіштер технологиясына инвестицияны қаржыландырудың көпшілігі әскери қорғаныс шығындарынан келген. Содан кейін оны тұрмыстық электроника өндірушілері ауыстырды және 2020-2023 жылдарға қарай микрочиптерді одан әрі дамытуға бағытталған жетекші инвестициялар бұл жолы келесі салаларға маманданған салалардан қайта ауысады:

• Келесі буын мазмұны. Голографиялық, виртуалды және кеңейтілген шындық құрылғыларын көпшілікке енгізу деректер ағынына үлкен сұранысты арттырады, әсіресе бұл технологиялар жетіліп, 2020 жылдардың соңында танымал бола бастайды.

• Бұлтты есептеулер. Бұл серияның келесі бөлімінде түсіндіріледі.

• Автономды көлік құралдары. Біздің бөлімде жан-жақты түсіндірілді Көліктің болашағы сериясы.

• Интернет заттары. Біздің бөлімде түсіндірілді Things интернет тарауымыз Интернеттің болашағы сериясы.

• Үлкен деректер және аналитика. Деректерді тұрақты түрде бұзуды қажет ететін ұйымдар — әскери, ғарышты зерттеу, синоптиктер, фармацевтика, логистика және т.б. — жинақталған деректердің үнемі кеңеюін талдау үшін барған сайын қуатты компьютерлерді талап ете береді.

Жаңа буын микрочиптеріне ҒЗТКЖ-ны қаржыландыру әрқашан болады, бірақ мәселе микропроцессорлардың күрделі формаларына қажетті қаржыландыру деңгейі Мур заңының өсу талаптарын сақтай ала ма деген сұрақ туындайды. Микрочиптердің жаңа формаларына ауысу және коммерцияландыру құнын ескере отырып, тұтынушылық сұраныстың бәсеңдеуімен, болашақ мемлекеттік бюджеттік дағдарыстармен және экономикалық құлдыраулармен қатар, Мур заңы 2020-жылдардың басында, кешке дейін қалпына келтірілмей тұрып, қысқа уақытқа баяулауы немесе тоқтап қалуы мүмкін. 2020 жыл, 2030 жыл басы.

Неліктен Мур заңы жылдамдықты қайтадан көтеретініне келетін болсақ, турбо-қуат микрочиптер есептеу құбырындағы жалғыз революция емес делік. Келесі «Компьютерлердің болашағы» сериясында біз бұлтты есептеулердің өсуіне ықпал ететін тенденцияларды зерттейтін боламыз.

«Компьютерлердің болашағы» сериясы

Адамзатты қайта анықтау үшін пайда болатын пайдаланушы интерфейстері: компьютерлердің болашағы P1

Бағдарламалық жасақтаманың дамуының болашағы: Компьютерлердің болашағы Р2

Сандық сақтау революциясы: компьютерлердің болашағы P3

Бұлтты есептеулер орталықтандырылмаған болады: Компьютерлердің болашағы P5

Неліктен елдер ең үлкен суперкомпьютерлерді жасау үшін бәсекелеседі? Компьютерлердің болашағы Б6

Кванттық компьютерлер әлемді қалай өзгертеді: Компьютерлердің болашағы P7