Микрочиптерди түп-тамырынан бери кайра карап чыгуу үчүн өчүп бараткан Мур мыйзамы: Компьютерлердин келечеги P4

Компьютерлер — алар кандайдыр бир чоң иш. Бирок "Компьютерлердин Келечеги" сериясында биз буга чейин кыйыткан жаңы пайда болгон тенденцияларды чындап баалоо үчүн, биз ошондой эле эсептөө куурундагы революцияларды же жөн эле: микрочиптердин келечегин түшүнүшүбүз керек.

Негизги түшүнүктөрдү алуу үчүн биз Мур мыйзамын түшүнүшүбүз керек, азыркы белгилүү мыйзам Доктор Гордон Э. Мур 1965-жылы негиздеген. Негизи, Мур он жылдар мурун түшүнгөн нерсе - интегралдык микросхемадагы транзисторлордун саны эки эсе көбөйөт. ар бир 18 айдан 24 айга чейин. Мына ошондуктан бүгүн 1,000 долларга сатып алган компьютер эки жылдан кийин 500 долларга чыгат.

Элүү жылдан ашык убакыттан бери жарым өткөргүч өнөр жайы ушул мыйзамдын татаал тенденция сызыгын аткарып, жаңы операциялык системаларга, видео оюндарга, агымдык видеолорго, мобилдик тиркемелерге жана биздин заманбап маданиятыбызды аныктаган бардык башка санариптик технологияларга жол ачты. Бирок бул өсүшкө болгон суроо-талап дагы жарым кылым бою туруктуу бойдон кала тургандай көрүнгөнү менен, кремний - бардык заманбап микрочиптер курулган негиздөөчү материал - 2021-жылга караганда, бул суроо-талапты канааттандыра албайт. акыркы отчет Жарым өткөргүчтөрдүн эл аралык технологиялык жол картасы (ITRS)

Бул чындыгында физика: жарым өткөргүч өнөр жайы транзисторлорду атомдук масштабга кичирейтип жатат, масштабдуу кремний жакында жараксыз болуп калат. Жана бул тармак кремнийди өзүнүн оптималдуу чегинен кичирейтүүгө канчалык аракет кылса, ар бир микрочиптин эволюциясы ошончолук кымбат болот.

Биз бүгүн ушул жердебиз. Бир нече жылдан кийин кремний мындан ары заманбап микрочиптердин кийинки муунун куруу үчүн үнөмдүү материал болбой калат. Бул чектөө жарым өткөргүч өнөр жайын (жана коомду) бир нече варианттардын арасынан тандоого мажбурлоо менен электроникадагы революцияны мажбурлайт:

• Биринчи вариант - кремнийди андан ары кичирейтүү үчүн кымбат баалуу иштеп чыгууну басаңдатуу же токтотуу, кошумча миниатюризациясыз көбүрөөк иштетүү күчүн жаратуучу микрочиптерди иштеп чыгуунун жаңы жолдорун табуу.

• Экинчиден, транзисторлорду дагы тыгызыраак микрочиптерге толтуруу үчүн кремнийге караганда алда канча кичине масштабда башкара турган жаңы материалдарды табыңыз.

• Үчүнчүдөн, кичирейтүү же электр кубатын колдонууну жакшыртуунун ордуна, конкреттүү колдонуу учурлары үчүн адистештирилген процессорлорду түзүү аркылуу кайра иштетүү ылдамдыгына көңүл буруңуз. Бул бир генералдык чиптин ордуна келечектеги компьютерлерде атайын чиптердин кластери болушу мүмкүн дегенди билдирет. Мисалдарга видео оюндарды жакшыртуу үчүн колдонулган графикалык чиптер кирет Google'дун киришүүсү машинаны үйрөнүү колдонмолоруна адистешкен Tensor Processing Unit (TPU) чипинин.

• Акыр-аягы, тыгызыраак/кичинекей микрочиптерге муктаж болбостон тезирээк жана эффективдүү иштей турган жаңы программалык камсыздоону жана булут инфраструктурасын долбоорлоңуз.

Биздин технологиялык индустрия кайсы вариантты тандайт? Чынында: алардын баары.

Мур мыйзамы үчүн өмүр линиясы

Төмөнкү тизме жарым өткөргүч тармагындагы атаандаштар Мур мыйзамын сактап калуу үчүн колдоно турган жакынкы жана узак мөөнөттүү инновациялардын кыскача көрүнүшү. Бул бөлүк бир аз тыгыз, бирок биз аны окууга ылайыктуу болгонго аракет кылабыз.

Наноматериалдар. Intel өңдүү алдыңкы жарым өткөргүч компаниялар жасай турганын буга чейин эле жарыялашкан кремний таштоо алар жети нанометрдик (7нм) кичирейтүү масштабына жеткенде. Кремнийди алмаштырууга талапкерлерге индий антимониди (InSb), индий галлий арсениди (InGaAs) жана кремний-германий (SiGe) кирет, бирок эң толкунданган материал көмүртек нанотүтүктөрү болуп көрүнөт. Графиттен жасалган - өзү керемет материалдын курама стеки, графен - көмүртек нанотүтүкчөлөрү атомдорду коюу, өтө өткөргүч жана келечектеги микрочиптерди 2020-жылга чейин беш эсеге тезирээк жасайт деп болжолдонууда.

Оптикалык эсептөө. Чиптерди долбоорлоодогу эң чоң көйгөйлөрдүн бири - электрондордун бир транзистордон экинчисине өтүп кетпешине кепилдик берүү - бул атомдук деңгээлге киргенде чексиз кыйындайт. Оптикалык эсептөөнүн жаңы технологиялары электрондорду фотондор менен алмаштырууну көздөйт, мында жарык (электр эмес) транзистордон транзисторго өтөт. жылы 2017, изилдөөчүлөр жарыкка негизделген маалыматты (фотондорду) үн толкундары катары компьютер чипинде сактоо мүмкүнчүлүгүн көрсөтүү менен бул максатка чоң кадам ташташты. Бул ыкманы колдонуу менен микрочиптер 2025-жылга чейин жарыктын ылдамдыгына жакын иштей алат.

Спинтроника. Жыйырма жылдан ашуун убакыттан бери иштеп чыгууда спинтрондук транзисторлор маалыматты көрсөтүү үчүн электрондун зарядынын ордуна анын "спинин" колдонууга аракет кылышат. Коммерциялаштыруудан дагы эле көп жол бар, бирок чечилсе, транзистордун бул формасы иштеши үчүн 10-20 милливольт керек болот, бул кадимки транзисторлорго караганда жүздөгөн эсе кичине; бул ошондой эле жарым өткөргүч компаниялар барган сайын кичинекей микросхемаларды өндүрүүдө дуушар болгон ысып кетүү көйгөйлөрүн жок кылат.

Нейроморфтук эсептөө жана мемристорлор. Бул жакындап келе жаткан кайра иштетүү кризисин чечүү үчүн дагы бир жаңы ыкма адамдын мээсинде жатат. Айрыкча IBM жана DARPA изилдөөчүлөрү микрочиптин жаңы түрүн — интегралдык микросхемалары мээнин борбордон ажыратылган жана сызыктуу эмес эсептөө ыкмасын тууроо үчүн иштелип чыккан чипти иштеп чыгууну жетектеп жатышат. (Муну карап көрүңүз ScienceBlogs макаласы Адамдын мээси менен компьютерлердин ортосундагы айырмачылыктарды жакшыраак түшүнүү үчүн.) Алгачкы жыйынтыктар мээни туураган чиптер бир кыйла эффективдүү гана болбостон, азыркы микрочиптерге караганда укмуштуудай аз ватт менен иштешет.

Ушул эле мээни моделдөө ыкмасын колдонуп, транзистордун өзү, компьютериңиздин микрочипинин ылакап курулуш материалы жакында мемристор менен алмаштырылышы мүмкүн. "Ионика" доорун баштап, мемристор салттуу транзисторго караганда бир катар кызыктуу артыкчылыктарды сунуштайт:

• Биринчиден, мемристорлор электр энергиясы өчүрүлгөн күндө да алар аркылуу өткөн электрон агымын эстей алышат. Которгондо, бул бир күнү компьютериңизди лампочкаңыз менен бирдей ылдамдыкта күйгүзө аласыз дегенди билдирет.

• Транзисторлор экилик, 1с же 0с. Ошол эле учурда мемисторлор 0.25, 0.5, 0.747 ж.б. сыяктуу экстремалдык чектердин ортосунда ар кандай абалга ээ болушу мүмкүн. Бул мемристорлордун мээбиздеги синапстарга окшош иштешине шарт түзөт жана бул чоң иш, анткени ал келечектеги эсептөөлөрдүн спектрин ачышы мүмкүн. мүмкүнчүлүктөр.

• Андан кийин, мемеристорлордун иштеши үчүн кремнийдин кереги жок, бул жарым өткөргүч өнөр жайына микрочиптерди андан ары кичирейтүү үчүн жаңы материалдарды колдонуу менен эксперимент жүргүзүүгө жол ачат (мурда айтылгандай).

• Акыр-аягы, IBM жана DARPA тарабынан нейроморфтук эсептөөлөр боюнча жасалган тыянактарга окшоп, мемристорлорго негизделген микрочиптер ылдамыраак, азыраак энергияны керектешет жана азыркы учурда базардагы чиптерге караганда көбүрөөк маалымат тыгыздыгын кармай алышат.

3D чиптери. Салттуу микрочиптер жана аларды иштеткен транзисторлор жалпак, эки өлчөмдүү тегиздикте иштешет, бирок 2010-жылдардын башында жарым өткөргүч компаниялар микросхемаларына үчүнчү өлчөмдү кошуу менен эксперимент жүргүзө башташты. "FinFET" деп аталган бул жаңы транзисторлор чиптин бетинен жабышып турган каналга ээ, бул алардын каналдарында болуп жаткан нерселерди жакшыраак башкарууга мүмкүндүк берип, 40 пайызга жакын ылдамыраак иштөөгө жана энергиянын жарымын колдонууга мүмкүндүк берет. Минус, бирок, бул микросхемалардын учурда өндүрүү үчүн кыйла кыйын (кымбат) болуп саналат.

Бирок жеке транзисторлорду кайра конструкциялоодон тышкары, келечек 3D чиптери ошондой эле вертикалдуу катмарларда эсептөө жана маалыматтарды сактоону айкалыштырууга багытталган. Азыркы учурда салттуу компьютерлер эстутум таякчаларын анын процессорунан сантиметрге жайгаштырышат. Бирок эстутум жана иштетүү компоненттерин интеграциялоо менен бул аралык сантиметрден микрометрге чейин төмөндөп, кайра иштетүү ылдамдыгын жана энергияны керектөөдө чоң жакшыртууга мүмкүндүк берет.

Quantum эсептөө. Келечекке көз чаптырсак, ишкана деңгээлиндеги эсептөөлөрдүн чоң бөлүгү кванттык физиканын таң калыштуу мыйзамдары астында иштей алат. Бирок, эсептөөнүн бул түрүнүн маанилүүлүгүнө байланыштуу, биз бул сериянын аягында ага өзүнүн бөлүмүн бердик.

Супер микрочиптер жакшы бизнес эмес

Макул, жогоруда окугандарыңыз жакшы жана жакшы — биз жарык ылдамдыгы менен иштей ала турган адамдын мээсинин үлгүсүнө ылайыкталган ультра энергияны үнөмдөөчү микрочиптерди айтып жатабыз, бирок эң негизгиси, жарым өткөргүчтөрдү чип жасоо өнөр жайы андай эмес. бул концепцияларды массалык турде чыгарылган чындыкка айландыруу учун ашыкча ынтызар.

Intel, Samsung жана AMD сыяктуу технологиялык гиганттар салттуу, кремнийге негизделген микрочиптерди өндүрүү үчүн ондогон жылдар бою миллиарддаган долларларды жумшашкан. Жогоруда белгиленген жаңы концепциялардын бирине өтүү бул инвестицияларды жокко чыгарууну жана жаңы микрочип моделдерин массалык түрдө чыгаруу үчүн жаңы заводдорду курууга миллиарддаган каражатты сарптоо дегенди билдирет.

Бул жарым өткөргүч компанияларды кармап турган убакыт жана акча гана эмес. Мындан да күчтүү микрочиптерге керектөөчүлөрдүн суроо-талаптары да азайып баратат. Ойлонуп көрүңүзчү: 90-жылдары жана 00-жылдардын көбүндө сиз компьютериңизди же телефонуңузду соодалай турганыңыз дээрлик белгилүү болгон, эгерде жыл сайын болбосо, экинчи жыл сайын. Бул сиздин үйүңүздүн жана жумушуңуздун жашооңузду жеңилдетип, жакшырта турган бардык жаңы программалык камсыздоо жана тиркемелерден кабардар болууга мүмкүндүк берет. Бул күндөрдө, сиз рынокто эң акыркы рабочий столдун же ноутбуктун моделине канчалык деңгээлде жаңылайсыз?

Смартфонуңузду эстегенде, чөнтөгүңүздө 20 жыл мурун суперкомпьютер деп эсептелген нерсе бар. Батареянын иштөө мөөнөтү жана эстутум боюнча даттануулардан тышкары, 2016-жылдан бери сатылып алынган телефондордун көпчүлүгү каалаган колдонмону же мобилдик оюнду иштетүүгө, SO менен каалаган музыкалык видеону же тентек фейстайминг сеансын агымга алып чыгууга же сиз каалаган башка нерселердин бардыгына эң сонун жөндөмдүү. телефон. Бул нерселерди 1,000-10 пайызга жакшыраак аткаруу үчүн жыл сайын 15 доллар же андан көп акча коротушуңуз керекпи? Сиз айырманы байкайсызбы?

Көпчүлүк адамдар үчүн жооп жок.

Мур мыйзамынын келечеги

Мурда жарым өткөргүч технологияларына инвестициялык каражаттардын көбү аскердик коргонууга жумшалган. Андан кийин ал керектөөчү электроника өндүрүүчүлөр менен алмаштырылган жана 2020-2023-жылдары микрочипти андан ары өнүктүрүүгө багытталган инвестициялык салымдар бул жолу төмөндөгү тармактарга адистешкен тармактардан өзгөрөт:

• Кийинки муундагы мазмун. Голографиялык, виртуалдык жана кеңейтилген реалдуулук түзүлүштөрүн жалпы коомчулукка киргизүү, айрыкча бул технологиялар жетилип, 2020-жылдардын аягында популярдуулугу өскөн сайын, маалыматтарды агымга көбүрөөк суроо-талапты жаратат.

• булут. Бул сериянын кийинки бөлүгүндө түшүндүрүлөт.

• Автономдуу унаалар. Бизде кылдат түшүндүрүлгөн Транспорттун келечеги катар.

• нерселердин интернети. Биздин бөлүмдө түшүндүрүлгөн Нерселерден интернет биздин бөлүмдө Интернеттин келечеги катар.

• Чоң маалыматтар жана аналитика. Аскердик, космостук изилдөөлөр, синоптиктер, фармацевтика, логистика ж.б. маалыматтарды үзгүлтүксүз чыңдоону талап кылган уюмдар чогултулган маалыматтардын улам кеңейген топтомун талдоо үчүн барган сайын күчтүү компьютерлерди талап кыла беришет.

Кийинки муундагы микрочиптерге илимий-изилдөө иштерин каржылоо ар дайым бар, бирок микропроцессорлордун татаал формалары үчүн зарыл болгон каржылоо деңгээли Мур мыйзамынын өсүү талаптарын аткара алабы деген суроо туулат. Микрочиптердин жаңы формаларына өтүүнүн жана коммерциялаштыруунун наркын эске алуу менен, керектөөчүлөрдүн суроо-талаптын басаңдашы, келечектеги мамлекеттик бюджеттин тартыштыгы жана экономикалык рецессиялар менен бирге, Мурдун Мыйзамы 2020-жылдардын башында кыска мөөнөткө жайлап же токтоп калышы мүмкүн. 2020-жылдар, 2030-жылдардын башында.

Мурдун мыйзамы эмне үчүн кайрадан ылдамдыкты жогорулатат дегенге келсек, турбо-кубаттуу микрочиптер эсептөө куурундагы жалгыз революция эмес деп айталы. Кийинки биздин "Компьютерлердин Келечеги" сериясында биз булуттагы эсептөөлөрдүн өсүшүнө түрткү берген тенденцияларды изилдейбиз.

Компьютерлердин келечеги сериясы

Адамзатты кайра аныктоо үчүн пайда болгон колдонуучу интерфейстери: Компьютерлердин келечеги P1

Программалык камсыздоону иштеп чыгуунун келечеги: ЭЭМдин келечеги Б2

Санариптик сактагыч революциясы: Компьютерлердин келечеги P3

Булуттагы эсептөөлөр борбордон ажыратылат: Компьютерлердин келечеги P5

Эмне үчүн өлкөлөр эң чоң суперкомпьютерлерди куруу үчүн атаандашууда? Компьютерлердин келечеги Б6

Кантип кванттык компьютерлер дүйнөнү өзгөртөт: Компьютерлердин келечеги P7