Blėstantis Moore'o dėsnis, skatinantis iš esmės permąstyti mikroschemas: kompiuterių ateitis P4

Kompiuteriai – tai savotiškas dalykas. Tačiau norėdami iš tikrųjų įvertinti kylančias tendencijas, apie kurias iki šiol užsiminėme savo serijoje „Kompiuterių ateitis“, turime suprasti ir revoliucijas, vykstančias skaičiavimo vamzdynu, arba tiesiog: mikroschemų ateitį.

Norėdami atsikratyti pagrindų, turime suprasti Moore'o dėsnį, dabar žinomą įstatymą, Dr. Gordon E. Moore, įkurtą 1965 m. Iš esmės tai, ką Moore'as suprato prieš visus tuos dešimtmečius, yra tai, kad tranzistorių skaičius integrinėje grandinėje padvigubėja. kas 18–24 mėnesius. Štai kodėl tas pats kompiuteris, kurį nusipirkote šiandien už 1,000 USD, po dvejų metų jums kainuos 500 USD.

Daugiau nei penkiasdešimt metų puslaidininkių pramonė gyveno pagal šio įstatymo sudėtingą tendenciją, atverdama kelią naujoms operacinėms sistemoms, vaizdo žaidimams, vaizdo transliacijai, programėlėms mobiliesiems ir visoms kitoms skaitmeninėms technologijoms, kurios apibrėžė mūsų šiuolaikinę kultūrą. Tačiau nors atrodo, kad šio augimo paklausa išliks nepakitusi dar pusę amžiaus, silicio – pamatinės uolienos medžiagos, iš kurios gaminami visi šiuolaikiniai mikroschemai – neatrodo, kad jis patenkins paklausą dar ilgiau, praėjus 2021 m. paskutinis pranešimas iš Tarptautinis puslaidininkių technologijų planas (ITRS)

Tai tikrai fizika: puslaidininkių pramonė tranzistorius sumažina iki atominės skalės, o silicis greitai bus netinkamas. Ir kuo labiau ši pramonės šaka bandys sumažinti silicį viršijant optimalias ribas, tuo brangesnė bus kiekviena mikroschemos evoliucija.

Štai kur mes šiandien esame. Po kelerių metų silicis nebebus ekonomiška medžiaga kuriant naujos kartos pažangiausias mikroschemas. Ši riba privers revoliuciją elektronikoje, priversdama puslaidininkių pramonę (ir visuomenę) rinktis iš kelių variantų:

• Pirmasis variantas yra sulėtinti arba nutraukti brangų kūrimą siekiant toliau mažinti silicį, siekiant rasti naujų būdų, kaip sukurti mikroschemas, kurios generuoja daugiau apdorojimo galios be papildomo miniatiūravimo.

• Antra, suraskite naujas medžiagas, kuriomis būtų galima manipuliuoti daug mažesniais masteliais nei silicį, kad į dar tankesnes mikroschemas būtų įkišta vis daugiau tranzistorių.

• Trečia, užuot sutelkę dėmesį į miniatiūrizavimą ar energijos vartojimo patobulinimus, sutelkite dėmesį į apdorojimo greitį kurdami procesorius, kurie yra specializuoti konkretiems naudojimo atvejams. Tai gali reikšti, kad vietoj vieno bendrojo lusto ateities kompiuteriai gali turėti specializuotų lustų grupę. Pavyzdžiai apima grafikos lustus, naudojamus vaizdo žaidimams tobulinti Google įvadas Tensor Processing Unit (TPU) lusto, kuris specializuojasi mašininio mokymosi programose.

• Galiausiai, sukurkite naują programinę įrangą ir debesų infrastruktūrą, kuri galėtų veikti greičiau ir efektyviau, nereikalaujant tankesnių / mažesnių mikroschemų.

Kurį variantą pasirinks mūsų technologijų pramonė? Realiai: visi.

Moore'o įstatymo gelbėjimosi ratas

Šis sąrašas yra trumpas žvilgsnis į trumpalaikes ir ilgalaikes naujoves, kurias puslaidininkių pramonės konkurentai naudos, kad išlaikytų Moore'o dėsnį. Ši dalis yra šiek tiek tanki, bet stengsimės, kad ji būtų skaitoma.

nanomedžiagos. Pirmaujančios puslaidininkių kompanijos, tokios kaip „Intel“, jau paskelbė, kad tai padarys lašas silicio pasiekus septynių nanometrų (7 nm) miniatiūrizavimo skalę. Kandidatai pakeisti silicį yra indžio antimonidas (InSb), indžio galio arsenidas (InGaAs) ir silicis-germanis (SiGe), tačiau atrodo, kad medžiaga, kuri sulaukia daugiausiai įspūdžių, yra anglies nanovamzdeliai. Anglies nanovamzdeliai, pagaminti iš grafito (kuris pats yra stebuklingos medžiagos, grafeno) krūva, gali būti atomų storio, yra itin laidūs ir, kaip manoma, iki 2020 m. ateityje mikroschemos bus net penkis kartus greitesnės.

Optinis skaičiavimas. Vienas didžiausių iššūkių kuriant lustus yra užtikrinti, kad elektronai neperšoktų nuo vieno tranzistoriaus prie kito – tai tampa be galo sunkesni, kai patenkate į atominį lygį. Nauja optinio skaičiavimo technologija ketina pakeisti elektronus fotonais, o šviesa (ne elektra) perduodama iš tranzistoriaus į tranzistorių. Be 2017, mokslininkai žengė milžinišką žingsnį šio tikslo link, pademonstruodami galimybę kompiuterio mikroschemoje saugoti šviesa pagrįstą informaciją (fotonus) kaip garso bangas. Naudojant šį metodą, iki 2025 m. mikroschemos galėtų veikti beveik šviesos greičiu.

Spintronika. Per du dešimtmečius sukurti spintroniniai tranzistoriai bando panaudoti elektrono „sukimąsi“, o ne jo krūvį, kad pateiktų informaciją. Nors iki komercializavimo dar toli, jei bus išspręsta, šiai tranzistoriaus formai veikti prireiks tik 10-20 milivoltų, šimtus kartų mažesnio nei įprasti tranzistoriai; tai taip pat pašalintų perkaitimo problemas, su kuriomis susiduria puslaidininkių įmonės gamindamos vis mažesnius lustus.

Neuromorfiniai skaičiavimai ir memristoriai. Kitas naujas būdas išspręsti šią gresiančią apdorojimo krizę yra žmogaus smegenyse. Visų pirma IBM ir DARPA tyrėjai vadovauja naujo tipo mikroschemos – lusto, kurio integriniai grandynai yra sukurti taip, kad imituotų labiau decentralizuotą ir nelinijinį požiūrį į skaičiavimą, kūrimą. (Peržiūrėkite tai ScienceBlogs straipsnis Kad geriau suprastume žmogaus smegenų ir kompiuterių skirtumus.) Ankstyvieji rezultatai rodo, kad smegenis imituojantys lustai yra ne tik žymiai efektyvesni, bet ir veikia su neįtikėtinai mažesne galia nei dabartinės mikroschemos.

Naudojant tą patį smegenų modeliavimo metodą, patį tranzistorių, jūsų kompiuterio mikroschemos statybinį bloką, netrukus gali pakeisti memristorius. Pradedant „jonikos“ erą, memristorius turi daug įdomių pranašumų, palyginti su tradiciniu tranzistoriumi:

• Pirma, memristoriai gali prisiminti per juos einantį elektronų srautą, net jei nutrūksta maitinimas. Išvertus tai reiškia, kad vieną dieną galėsite įjungti kompiuterį tokiu pat greičiu kaip ir lemputę.

• Tranzistoriai yra dvejetainiai, 1s arba 0s. Tuo tarpu memristoriai gali turėti įvairių būsenų tarp tų kraštutinumų, pvz., 0.25, 0.5, 0.747 ir tt. Dėl to memristoriai veikia panašiai kaip mūsų smegenų sinapsės, ir tai labai svarbu, nes tai gali atverti daugybę ateities skaičiavimų. galimybės.

• Be to, memristoriams nereikia silicio, kad veiktų, o tai atveria kelią puslaidininkių pramonei eksperimentuoti naudojant naujas medžiagas, kad būtų toliau miniatiūrinės mikroschemos (kaip aprašyta anksčiau).

• Galiausiai, panašiai kaip IBM ir DARPA išvadose dėl neuromorfinio skaičiavimo, memristorių pagrindu sukurtos mikroschemos yra greitesnės, sunaudoja mažiau energijos ir gali turėti didesnį informacijos tankį nei šiuo metu rinkoje esantys lustai.

3D lustai. Tradicinės mikroschemos ir jas maitinantys tranzistoriai veikia plokščioje, dvimatėje plokštumoje, tačiau 2010-ųjų pradžioje puslaidininkių kompanijos pradėjo eksperimentuoti su savo lustams pridėti trečią dimensiją. Šie nauji tranzistoriai, vadinami „finFET“, turi kanalą, kuris prilimpa nuo lusto paviršiaus, todėl jie gali geriau kontroliuoti, kas vyksta jų kanaluose, todėl jie gali veikti beveik 40 procentų greičiau ir naudoti pusę energijos. Tačiau minusas yra tas, kad šiuo metu šiuos lustus yra žymiai sunkiau (brangiau) pagaminti.

Tačiau ne tik perprojektavus atskirus tranzistorius, bet ir ateityje 3D lustai taip pat siekiama sujungti skaičiavimą ir duomenų saugojimą vertikaliai sukrautuose sluoksniuose. Šiuo metu tradiciniuose kompiuteriuose atminties kortelės yra centimetrų atstumu nuo procesoriaus. Tačiau integruojant atmintį ir apdorojimo komponentus, šis atstumas sumažėja nuo centimetrų iki mikrometrų, o tai leidžia labai pagerinti apdorojimo greitį ir energijos suvartojimą.

Kvantinis skaičiavimas. Žvelgiant į tolimesnę ateitį, didelė įmonės lygio kompiuterijos dalis galėtų veikti pagal keistus kvantinės fizikos dėsnius. Tačiau dėl tokio skaičiavimo svarbos šios serijos pabaigoje suteikėme jam atskirą skyrių.

Super mikroschemos nėra geras verslas

Gerai, tai, ką perskaitėte aukščiau, yra gerai ir gerai – kalbame apie itin energiją taupančias mikroschemas, sukurtas pagal žmogaus smegenis, kurios gali veikti šviesos greičiu, tačiau puslaidininkių lustų gamybos pramonė nėra tokia. pernelyg trokšta šias sąvokas paversti masine realybe.

Technologijų gigantai, tokie kaip „Intel“, „Samsung“ ir AMD, per dešimtmečius jau investavo milijardus dolerių, kad galėtų gaminti tradicines silicio mikroschemas. Perėjimas prie bet kurios iš aukščiau paminėtų naujų koncepcijų reikštų šių investicijų atsisakymą ir milijardus daugiau išleistų naujų gamyklų statybai, kad būtų galima masiškai gaminti naujus mikroschemų modelius, kurių pardavimų rekordas yra nulis.

Šias puslaidininkių įmones stabdo ne tik laiko ir pinigų investicijos. Vartotojų paklausa vis galingesnių mikroschemų taip pat mažėja. Pagalvokite apie tai: 90-aisiais ir didžiąja dalimi 00-ųjų buvo beveik savaime suprantama, kad prekiavote savo kompiuteriu ar telefonu, jei ne kasmet, tai kas antrus metus. Tai leis jums neatsilikti nuo visos naujos programinės įrangos ir taikomųjų programų, kurios palengvins ir pagerins jūsų namų ir darbo gyvenimą. Kaip dažnai šiais laikais atnaujinate į naujausią stalinio ar nešiojamojo kompiuterio modelį rinkoje?

Kai galvojate apie savo išmanųjį telefoną, kišenėje turite tai, kas dar prieš 20 metų būtų laikyta superkompiuteriu. Be skundų dėl baterijos veikimo trukmės ir atminties, dauguma telefonų, įsigytų nuo 2016 m., puikiai tinka bet kokiai programai ar žaidimui mobiliesiems, transliuoti bet kokį muzikinį vaizdo įrašą ar neklaužadų seansą su savo SO arba bet ką kita, ką norėtumėte padaryti telefonas. Ar tikrai kasmet reikia išleisti 1,000 USD ar daugiau, kad šiuos dalykus atliktumėte 10–15 procentų geriau? Ar net pastebėtumėte skirtumą?

Daugumai žmonių atsakymas yra ne.

Moore'o įstatymo ateitis

Anksčiau didžioji dalis investicijų į puslaidininkių technologijas buvo finansuojama iš karinės gynybos išlaidų. Tada jį pakeitė plataus vartojimo elektronikos gamintojai, o iki 2020–2023 m. pagrindinės investicijos į tolesnę mikroschemų plėtrą vėl pasislinks, šį kartą iš pramonės šakų, kurios specializuojasi šiose srityse:

• Naujos kartos turinys. Artėjantis holografinių, virtualių ir papildytosios realybės įrenginių pristatymas plačiajai visuomenei paskatins didesnę duomenų srautinio perdavimo paklausą, ypač 2020-ųjų pabaigoje šios technologijos bręs ir populiarės.

• Debesis Kompiuterija. Paaiškinta kitoje šios serijos dalyje.

• Autonominės transporto priemonės. Išsamiai paaiškinta mūsų Transporto ateitis serija.

• Daiktų internetas. Paaiškinta mūsų Daiktų internetas skyrius mūsų Interneto ateitis serija.

• Dideli duomenys ir analizė. Organizacijos, kurioms reikia reguliariai tirti duomenis – pagalvokime apie kariuomenę, kosmoso tyrinėjimus, orų prognozuotojus, vaistus, logistiką ir t. t. – ir toliau reikalaus vis galingesnių kompiuterių, kad galėtų analizuoti nuolat besiplečiančius surinktų duomenų rinkinius.

Finansavimas naujos kartos mikroschemų tyrimams ir plėtrai visada bus, tačiau kyla klausimas, ar finansavimo lygis, reikalingas sudėtingesnėms mikroprocesorių formoms, gali atitikti Moore'o dėsnio augimo reikalavimus. Atsižvelgiant į perėjimo prie naujų mikroschemų formų ir jų komercializavimo išlaidas, lėtėjančią vartotojų paklausą, būsimą vyriausybės biudžeto krizę ir ekonomikos nuosmukį, tikėtina, kad Moore'o įstatymas 2020 m. pradžioje sulėtės arba trumpam sustos, o vėliau vėl pradės veikti. 2020-ieji, 2030-ųjų pradžia.

Kalbant apie tai, kodėl Moore'o dėsnis vėl įsibėgės, sakykime, kad turbo varomos mikroschemos nėra vienintelė revoliucija, vykstanti skaičiavimo vamzdynu. Toliau savo kompiuterių ateities serijoje išnagrinėsime tendencijas, skatinančias debesų kompiuterijos augimą.

Serialas „Kompiuterių ateitis“.

Naujos vartotojo sąsajos, skirtos iš naujo apibrėžti žmoniją: kompiuterių ateitis P1

Programinės įrangos kūrimo ateitis: kompiuterių ateitis P2

Skaitmeninės saugojimo revoliucija: kompiuterių ateitis P3

Debesų kompiuterija tampa decentralizuota: kompiuterių ateitis P5

Kodėl šalys konkuruoja, kad sukurtų didžiausius superkompiuterius? Kompiuterių ateitis P6

Kaip kvantiniai kompiuteriai pakeis pasaulį: kompiuterių ateitis P7