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마이크로칩에 대한 근본적인 재고를 촉발시키는 퇴색하는 무어의 법칙: 컴퓨터의 미래 P4

David Tal, 발행인, 미래학자
@DavidTalWrites
링크드인

화, 09 / 15 / 2020 - 15 : 39

컴퓨터—그들은 일종의 큰 문제입니다. 그러나 우리가 지금까지 컴퓨터의 미래 시리즈에서 암시한 새로운 경향을 진정으로 이해하려면 계산 파이프라인을 질주하는 혁명, 또는 간단히 말해서 마이크로칩의 미래를 이해해야 합니다.

기본을 이해하기 위해 우리는 1965년에 설립된 고든 E. 무어 박사(Dr. Gordon E. Moore)가 지금은 유명한 법인 무어의 법칙을 이해해야 합니다. 본질적으로, 무어가 수십 년 전에 깨달았던 것은 집적 회로의 트랜지스터 수가 두 배가 된다는 것입니다. 18~24개월마다. 이것이 바로 당신이 오늘 1,000달러에 산 컴퓨터가 500년 후에는 XNUMX달러가 되는 이유입니다.

2021년 이상 동안 반도체 산업은 이 법칙의 복합적인 추세에 따라 새로운 운영 체제, 비디오 게임, 스트리밍 비디오, 모바일 앱 및 우리의 현대 문화를 정의한 기타 모든 디지털 기술을 위한 길을 열어 왔습니다. 그러나 이러한 성장에 대한 수요는 또 다른 반세기 동안 안정적으로 유지될 것처럼 보이지만 최신 마이크로칩을 구성하는 기반 재료인 실리콘은 XNUMX년이 훨씬 더 지난 기간 동안 수요를 충족하지 못할 것으로 보입니다. 의 마지막 보고 국제 반도체 기술 로드맵(ITRS)

그것은 물리학입니다. 반도체 산업은 트랜지스터를 원자 규모로 축소하고 있으며 실리콘 규모는 곧 적합하지 않게 될 것입니다. 그리고 이 산업이 실리콘을 최적의 한계 이상으로 축소하려고 하면 할수록 각 마이크로칩의 발전 비용은 더 비싸질 것입니다.

이것이 오늘 우리가 있는 곳입니다. 몇 년 안에 실리콘은 더 이상 차세대 첨단 마이크로칩을 구축하기 위한 비용 효율적인 재료가 아닙니다. 이 제한은 반도체 산업(및 사회)이 다음과 같은 몇 가지 옵션 중에서 선택하도록 함으로써 전자 제품에 혁명을 일으킬 것입니다.

첫 번째 옵션은 추가 소형화 없이 더 많은 처리 능력을 생성하는 마이크로칩을 설계하는 새로운 방법을 찾기 위해 실리콘을 더욱 소형화하기 위해 값비싼 개발을 늦추거나 끝내는 것입니다.
둘째, 훨씬 더 밀도가 높은 마이크로칩에 훨씬 더 많은 수의 트랜지스터를 채울 수 있도록 실리콘보다 훨씬 작은 규모로 조작할 수 있는 새로운 재료를 찾으십시오.
셋째, 소형화나 전력사용량 향상에 치중하기 보다는 특정 유스케이스에 특화된 프로세서를 만들어 처리속도에 재조명한다. 이것은 하나의 일반 칩 대신 미래의 컴퓨터가 전문 칩 클러스터를 가질 수 있음을 의미할 수 있습니다. 예에는 비디오 게임을 향상시키는 데 사용되는 그래픽 칩이 포함됩니다. 구글의 소개 머신 러닝 애플리케이션에 특화된 Tensor Processing Unit(TPU) 칩.
마지막으로, 더 조밀하거나 더 작은 마이크로칩 없이 더 빠르고 효율적으로 작동할 수 있는 새로운 소프트웨어 및 클라우드 인프라를 설계하십시오.

우리 기술 산업은 어떤 선택을 할 것인가? 현실적으로: 모두.

무어의 법칙의 생명줄

다음 목록은 반도체 산업 내의 경쟁자들이 무어의 법칙을 유지하기 위해 사용할 장단기 혁신에 대한 간략한 소개입니다. 이 부분은 약간 조밀하지만 읽을 수 있도록 노력하겠습니다.

나노 물질. 인텔과 같은 주요 반도체 회사는 이미 실리콘을 떨어뜨리다 일단 7나노미터(2020nm)의 소형화 규모에 도달합니다. 실리콘을 대체할 후보로는 안티몬화인듐(InSb), 비화인듐갈륨(InGaAs), 실리콘게르마늄(SiGe) 등이 있지만 가장 주목받고 있는 물질은 탄소나노튜브로 보인다. 흑연으로 만든 탄소 나노튜브는 놀라운 물질인 그래핀의 복합 스택으로 원자를 두껍게 만들 수 있고 전도성이 매우 높으며 XNUMX년까지 미래의 마이크로칩을 최대 XNUMX배 더 빠르게 만들 것으로 추정됩니다.

광 컴퓨팅. 칩 설계와 관련된 가장 큰 문제 중 하나는 전자가 한 트랜지스터에서 다른 트랜지스터로 건너뛰지 않도록 하는 것입니다. 이는 원자 수준에 들어가면 훨씬 더 어려워지는 고려 사항입니다. 새로운 광 컴퓨팅 기술은 전자를 광자로 대체하여 빛(전기가 아님)이 트랜지스터에서 트랜지스터로 전달되는 것으로 보입니다. 2017에서, 연구원들은 컴퓨터 칩에 음파로 빛 기반 정보(광자)를 저장하는 능력을 보여줌으로써 이 목표를 향한 거대한 발걸음을 내디뎠습니다. 이 접근 방식을 사용하면 마이크로칩은 2025년까지 빛의 속도로 작동할 수 있습니다.

스핀 트로닉스. 10년이 넘는 기간 동안 개발된 스핀트로닉 트랜지스터는 정보를 나타내기 위해 전하 대신 전자의 '스핀'을 사용하려고 합니다. 상용화까지는 아직 멀었지만 이 형태의 트랜지스터가 해결된다면 기존 트랜지스터보다 수백 배 작은 20-XNUMX밀리볼트만 작동하면 된다. 이것은 또한 반도체 회사가 더 작은 칩을 생산할 때 직면하는 과열 문제를 제거할 것입니다.

뉴로모픽 컴퓨팅 및 멤리스터. 이 다가오는 처리 위기를 해결하기 위한 또 다른 새로운 접근 방식은 인간의 두뇌에 있습니다. 특히 IBM과 DARPA의 연구원들은 새로운 종류의 마이크로칩 개발을 주도하고 있습니다. 이 칩은 집적 회로가 컴퓨팅에 대한 두뇌의 보다 분산되고 비선형적인 접근 방식을 모방하도록 설계된 칩입니다. (이것을 확인 ScienceBlogs 기사 인간의 두뇌와 컴퓨터의 차이점을 더 잘 이해하기 위해.) 초기 결과는 두뇌를 모방한 칩이 훨씬 더 효율적일 뿐만 아니라 현재의 마이크로칩보다 믿을 수 없을 정도로 적은 전력을 사용하여 작동함을 나타냅니다.

이와 동일한 두뇌 모델링 접근 방식을 사용하여 컴퓨터 마이크로칩의 대표적인 구성 요소인 트랜지스터 자체가 곧 멤리스터로 대체될 수 있습니다. "이온성" 시대를 여는 멤리스터는 기존 트랜지스터에 비해 여러 가지 흥미로운 이점을 제공합니다.

첫째, 멤리스터는 전원이 차단되더라도 멤리스터를 통과하는 전자 흐름을 기억할 수 있습니다. 번역하면 언젠가는 전구와 같은 속도로 컴퓨터를 켤 수 있다는 뜻입니다.
트랜지스터는 1 또는 0의 이진법입니다. 한편 멤리스터는 0.25, 0.5, 0.747 등과 같이 극단 사이에서 다양한 상태를 가질 수 있습니다. 이것은 멤리스터가 우리 뇌의 시냅스와 유사하게 작동하도록 하며, 미래 컴퓨팅의 범위를 열 수 있기 때문에 큰 문제입니다. 가능성.
다음으로, 멤리스터는 기능을 위해 실리콘이 필요하지 않으므로 반도체 산업이 마이크로칩을 더욱 소형화하기 위해 새로운 재료를 사용하여 실험할 수 있는 길을 열어줍니다(앞서 설명한 대로).
마지막으로, IBM과 DARPA가 뉴로모픽 컴퓨팅에서 발견한 것과 유사하게, 멤리스터 기반 마이크로칩은 현재 시장에 나와 있는 칩보다 더 빠르고 에너지를 덜 사용하며 더 높은 정보 밀도를 보유할 수 있습니다.

3D 칩. 기존의 마이크로칩과 이를 구동하는 트랜지스터는 평평한 2010차원 평면에서 작동하지만 40년대 초 반도체 회사는 칩에 XNUMX차원을 추가하는 실험을 시작했습니다. 'finFET'라고 불리는 이 새로운 트랜지스터는 칩 표면에서 튀어나온 채널을 가지고 있어 채널에서 일어나는 일을 더 잘 제어할 수 있어 거의 XNUMX% 더 빠르게 실행되고 절반의 에너지를 사용하여 작동할 수 있습니다. 그러나 단점은 이러한 칩을 현재 생산하기가 훨씬 더 어렵다(비용이 많이 든다)는 것입니다.

그러나 개별 트랜지스터를 재설계하는 것을 넘어 미래 3D 칩 또한 수직으로 쌓인 레이어에서 컴퓨팅과 데이터 스토리지를 결합하는 것을 목표로 합니다. 현재 기존 컴퓨터는 프로세서에서 센티미터 떨어진 메모리 스틱을 수용합니다. 그러나 메모리와 처리 구성 요소를 통합하면 이 거리가 센티미터에서 마이크로미터로 줄어들어 처리 속도와 에너지 소비가 크게 향상됩니다.

퀀텀 컴퓨팅. 더 멀리 내다보면 엔터프라이즈급 컴퓨팅의 많은 부분이 양자 물리학의 기이한 법칙에 따라 작동할 수 있습니다. 그러나 이러한 종류의 컴퓨팅의 중요성으로 인해 이 시리즈의 맨 끝에 자체 장을 제공했습니다.

슈퍼 마이크로칩은 좋은 사업이 아니다

자, 위에서 읽은 내용은 모두 훌륭하고 훌륭합니다. 우리는 인간의 두뇌를 모델로 하여 빛의 속도로 달릴 수 있는 매우 에너지 효율적인 마이크로칩에 대해 이야기하고 있습니다. 하지만 문제는 반도체 칩 제조 산업이 그렇지 않다는 것입니다. 이러한 개념을 대량 생산된 현실로 바꾸기를 지나치게 열망합니다.

Intel, Samsung 및 AMD와 같은 거대 기술 기업은 이미 수십 년 동안 수십억 달러를 투자하여 기존의 실리콘 기반 마이크로칩을 생산했습니다. 위에서 언급한 새로운 개념으로 전환하는 것은 이러한 투자를 중단하고 판매 실적이 XNUMX인 새로운 마이크로칩 모델을 대량 생산하기 위해 새로운 공장을 건설하는 데 수십억 달러를 더 지출하는 것을 의미합니다.

이러한 반도체 회사를 저지하는 것은 시간과 돈 투자만이 아닙니다. 더욱 강력한 마이크로칩에 대한 소비자 요구도 줄어들고 있습니다. 생각해 보십시오. 90년대와 00년대 대부분에는 컴퓨터나 휴대전화를 매년 교환하지 않을 경우에는 교환하고 그 다음에는 격년으로 교환하는 것이 거의 당연했습니다. 이렇게 하면 집과 직장 생활을 더 쉽고 더 좋게 만들기 위해 나오는 모든 새로운 소프트웨어와 응용 프로그램을 따라갈 수 있습니다. 요즘 얼마나 자주 시장에 나와 있는 최신 데스크탑 또는 노트북 모델로 업그레이드합니까?

스마트폰을 생각할 때 주머니 속에 20년 전만 해도 슈퍼컴퓨터로 여겨졌던 것이 있습니다. 배터리 수명과 메모리에 대한 불만을 제외하고 2016년 이후에 구입한 대부분의 휴대폰은 모든 앱이나 모바일 게임을 완벽하게 실행할 수 있고, 뮤직 비디오를 스트리밍하거나 SO와의 음탕한 페이스타임 세션을 스트리밍하거나, 기타 대부분의 작업을 수행할 수 있습니다. 핸드폰. 이러한 일을 1,000-10% 개선하기 위해 매년 $15 이상을 지출해야 합니까? 차이점을 눈치채셨나요?

대부분의 사람들에게 대답은 아니오입니다.

무어의 법칙의 미래

과거에는 반도체 기술에 대한 대부분의 투자 자금이 국방비에서 나왔다. 그런 다음 소비자 전자 제품 제조업체로 대체되었으며 2020-2023년까지 추가 마이크로칩 개발에 대한 주요 투자가 이번에는 다음을 전문으로 하는 산업에서 다시 전환될 것입니다.

차세대 콘텐츠. 홀로그램, 가상 및 증강 현실 장치가 일반 대중에게 도입됨에 따라 특히 이러한 기술이 2020년대 후반에 성숙하고 인기가 높아짐에 따라 데이터 스트리밍에 대한 수요가 증가할 것입니다.
클라우드 컴퓨팅. 이 시리즈의 다음 부분에서 설명합니다.
자율 주행 차. 우리의에서 철저하게 설명 교통의 미래 시리즈.
사물의 인터넷. 우리의 설명 사물의 인터넷 우리의 장 인터넷의 미래 시리즈.
빅 데이터 및 분석. 정기적인 데이터 처리가 필요한 조직(예: 군대, 우주 탐사, 일기예보, 제약, 물류 등)은 계속해서 확장되는 수집 데이터 세트를 분석하기 위해 점점 더 강력한 컴퓨터를 요구할 것입니다.

차세대 마이크로칩에 대한 R&D 자금은 항상 존재하지만 문제는 더 복잡한 형태의 마이크로프로세서에 필요한 자금 수준이 무어의 법칙의 성장 요구를 따라갈 수 있는지 여부입니다. 새로운 형태의 마이크로칩으로 전환하고 상용화하는 비용과 소비자 수요 둔화, 미래 정부 예산 경색, 경기 침체를 감안할 때 무어의 법칙은 2020년대 초반에 둔화되거나 잠시 멈출 가능성이 있다. 2020년대, 2030년대 초반.

무어의 법칙이 다시 속도를 낼 수 있는 이유에 관해서는, 터보 구동 마이크로칩이 컴퓨팅 파이프라인을 따라 오는 유일한 혁명은 아니라고 말합시다. 컴퓨터의 미래 시리즈의 다음 편에서는 클라우드 컴퓨팅의 성장을 촉진하는 트렌드를 살펴보겠습니다.