Избледениот закон на Мур за да поттикне фундаментално преиспитување на микрочиповите: Иднината на компјутерите P4

Компјутери - тие се некако голема работа. Но, за навистина да ги цениме новите трендови што досега ги навестивме во нашата серија „Иднина на компјутерите“, треба да ги разбереме и револуциите што спринтуваат низ пресметковната линија, или едноставно: иднината на микрочиповите.

За да ги тргнеме основите од патот, мораме да го разбереме законот на Мур, сега познатиот закон д-р Гордон Е. Мур основан во 1965 година. Во суштина, она што Мур го сфати сите тие децении е дека бројот на транзистори во интегрираното коло се удвојува на секои 18 до 24 месеци. Ова е причината зошто истиот компјутер што го купувате денес за 1,000 долари ќе ве чини 500 долари за две години од сега.

Повеќе од педесет години, индустријата за полупроводници ја почитуваше сложената линија на овој закон, отворајќи го патот за новите оперативни системи, видео игрите, видеото за стриминг, мобилните апликации и секоја друга дигитална технологија што ја дефинираше нашата модерна култура. Но, иако побарувачката за овој раст се чини дека ќе остане стабилна уште половина век, силиконот - материјалот со кој се изградени сите модерни микрочипови - не изгледа дека ќе ја задоволи таа побарувачка за многу подолго помината 2021 година - според последен извештај од Меѓународен технолошки патоказ за полупроводници (ITRS)

Тоа е навистина физика: индустријата за полупроводници ги намалува транзисторите до атомска скала, силиконот наскоро ќе биде несоодветен. И колку повеќе оваа индустрија се обидува да го намали силиконот над неговите оптимални граници, толку поскапа ќе биде секоја еволуција на микрочипот.

Ова е местото каде што сме денес. За неколку години, силиконот повеќе нема да биде исплатлив материјал за изградба на следната генерација на најсовремени микрочипови. Оваа граница ќе принуди револуција во електрониката со тоа што ќе ја принуди индустријата за полупроводници (и општеството) да избира помеѓу неколку опции:

• Првата опција е да се забави или да се стави крај на скапиот развој за понатамошно минијатуризирање на силиконот, во корист на изнаоѓање нови начини за дизајнирање микрочипови кои генерираат поголема процесорска моќ без дополнителна минијатуризација.

• Второ, пронајдете нови материјали со кои може да се манипулира во многу помали размери од силиконот за да се вклопат уште поголем број транзистори во уште погусти микрочипови.

• Трето, наместо да се фокусирате на минијатуризација или подобрување на искористувањето на енергијата, повторно фокусирајте се на брзината на обработка преку создавање процесори кои се специјализирани за конкретни случаи на употреба. Ова може да значи, наместо да имаат еден генералистички чип, идните компјутери може да имаат кластер од специјализирани чипови. Примерите вклучуваат графички чипови кои се користат за подобрување на видео игрите Вовед на Google на чипот за обработка на тензори (TPU) кој е специјализиран за апликации за машинско учење.

• Конечно, дизајнирајте нов софтвер и облак инфраструктура што може да работи побрзо и поефикасно без потреба од погусти/помали микрочипови.

Која опција ќе ја избере нашата технолошка индустрија? Реално: сите тие.

Спас за законот на Мур

Следната листа е краток увид во блиските и долгорочните иновации што конкурентите во индустријата за полупроводници ќе ги користат за да го одржат во живот Муровиот закон. Овој дел е малку густ, но ќе се обидеме да го задржиме читлив.

наноматеријали. Водечките полупроводнички компании, како Интел, веќе најавија дека ќе го направат тоа капка силикон откако ќе достигнат скали на минијатуризација од седум нанометри (7 nm). Кандидатите за замена на силициумот вклучуваат индиум антимонид (InSb), индиум галиум арсенид (InGaAs) и силикон-германиум (SiGe), но материјалот што добива најголема возбуда се чини дека се јаглеродните наноцевки. Направени од графит - и самиот композитен куп на чудесниот материјал, графен - јаглеродните наноцевки можат да бидат дебели атоми, се екстремно спроводливи и се проценува дека ќе ги направат идните микрочипови до 2020 година до пет пати побрзи.

Оптичко пресметување. Еден од најголемите предизвици околу дизајнирањето чипови е да се обезбеди електроните да не прескокнуваат од еден транзистор до друг - размислување што станува бескрајно потешко откако ќе влезете на атомското ниво. Технологијата на оптичко пресметување се чини дека ќе ги замени електроните со фотони, при што светлината (не електричната енергија) се пренесува од транзистор на транзистор. во 2017, истражувачите направија огромен чекор кон оваа цел, демонстрирајќи ја способноста за складирање на информации засновани на светлина (фотони) како звучни бранови на компјутерски чип. Користејќи го овој пристап, микрочиповите би можеле да работат со брзина на светлината до 2025 година.

Спинтроника. Во текот на две децении во развојот, спинтроничните транзистори се обидуваат да го искористат „спинот“ на електронот наместо неговото полнење за да претставуваат информации. Иако е сè уште далеку од комерцијализацијата, доколку се реши, оваа форма на транзистор ќе има потреба од само 10-20 миливолти за работа, стотици пати помали од конвенционалните транзистори; ова, исто така, ќе ги отстрани проблемите со прегревање со кои се соочуваат полупроводничките компании кога произведуваат уште помали чипови.

Невроморфно пресметување и мемристори. Друг нов пристап за решавање на оваа криза на процесирање се крие во човечкиот мозок. Истражувачите од IBM и DARPA, особено, го водат развојот на нов вид микрочип - чип чии интегрирани кола се дизајнирани да го имитираат подецентрализираниот и нелинеарен пристап на мозокот кон компјутерите. (Проверете го ова Статија на ScienceBlogs за подобро разбирање на разликите помеѓу човечкиот мозок и компјутерите.) Раните резултати покажуваат дека чиповите што го имитираат мозокот не само што се значително поефикасни, туку тие работат со неверојатно помала моќност од тековните микрочипови.

Користејќи го истиот пристап за моделирање на мозокот, самиот транзистор, пословичен градежен блок на микрочипот на вашиот компјутер, наскоро може да биде заменет со мемристорот. Воведувајќи во ерата на „јониката“, мемристорот нуди голем број интересни предности во однос на традиционалниот транзистор:

• Прво, мемристорите можат да се сетат на протокот на електрони што минува низ нив - дури и ако струјата е прекината. Во превод, ова значи дека еден ден би можеле да го вклучите вашиот компјутер со иста брзина како и вашата сијалица.

• Транзисторите се бинарни, или 1s или 0s. Во меѓувреме, мемристорите можат да имаат различни состојби меѓу тие крајности, како 0.25, 0.5, 0.747, итн. можности.

• Следно, на мемристорите не им е потребен силикон за да функционираат, што го отвора патот за полупроводничката индустрија да експериментира со користење на нови материјали за понатамошно минијатуризирање на микрочиповите (како што беше наведено претходно).

• Конечно, слично на наодите направени од IBM и DARPA за невроморфно пресметување, микрочиповите базирани на мемристори се побрзи, трошат помалку енергија и можат да држат поголема густина на информации од чиповите што моментално се на пазарот.

3D чипови. Традиционалните микрочипови и транзисторите што ги напојуваат работат на рамна, дводимензионална рамнина, но на почетокот на 2010-тите, полупроводничките компании почнаа да експериментираат со додавање трета димензија на нивните чипови. Наречени „finFET“, овие нови транзистори имаат канал што се држи од површината на чипот, давајќи им подобра контрола врз она што се случува во нивните канали, овозможувајќи им да работат скоро 40 проценти побрзо и да работат со половина од енергијата. Негативната страна, сепак, е што овие чипови се значително потешки (скапи) за производство во моментот.

Но, надвор од редизајнирањето на поединечните транзистори, иднината 3D чипови исто така имаат за цел да ги комбинираат компјутерите и складирањето податоци во вертикално наредени слоеви. Во моментов, традиционалните компјутери ги сместуваат своите мемориски стапчиња сантиметри од својот процесор. Но, со интегрирање на меморијата и компонентите за обработка, ова растојание паѓа од сантиметри на микрометри, овозможувајќи огромно подобрување во брзината на обработка и потрошувачката на енергија.

Квантна пресметка. Гледајќи подалеку во иднината, голем дел од компјутерите на ниво на претпријатие би можеле да работат според чудните закони на квантната физика. Сепак, поради важноста на овој вид на пресметување, му дадовме свое поглавје на самиот крај од оваа серија.

Супер микрочиповите не се добар бизнис

Океј, така што она што го прочитавте погоре е добро и добро - зборуваме за ултра енергетски ефикасни микрочипови моделирани според човечкиот мозок кои можат да работат со брзина на светлината - но работата е во тоа што индустријата за производство на полупроводнички чипови не е премногу желни да ги претворат овие концепти во масовно произведена реалност.

Технолошките гиганти, како Интел, Самсунг и АМД, веќе имаат инвестирано милијарди долари во текот на децении за производство на традиционални микрочипови базирани на силикон. Префрлањето на кој било од новите концепти наведени погоре би значело укинување на тие инвестиции и трошење милијарди повеќе за изградба на нови фабрики за масовно производство на нови модели на микрочипови кои имаат рекорд на продажба од нула.

Не е само инвестицијата во време и пари што ги кочи овие полупроводнички компании. Побарувачката на потрошувачите за уште помоќни микрочипови е исто така во опаѓање. Размислете за тоа: во текот на 90-тите и поголемиот дел од 00-тите, беше речиси предвидено дека ќе тргувате со вашиот компјутер или телефон, ако не секоја година, тогаш секоја втора година. Ова ќе ви овозможи да бидете во тек со сите нови софтвери и апликации што излегуваат за да го олеснат и подобрат вашиот дом и работен живот. Овие денови, колку често се надградувате на најновиот десктоп или лаптоп модел на пазарот?

Кога мислите на вашиот паметен телефон, во џеб го имате она што би се сметало за суперкомпјутер пред само 20 години. Настрана од поплаките за траењето на батеријата и меморијата, повеќето телефони купени од 2016 година се совршено способни за извршување на која било апликација или мобилна игра, за стриминг какво било музичко видео или непослушен фајтајминг сесија со вашиот SO, или сè друго што би сакале да го правите на вашиот телефон. Дали навистина треба да трошите 1,000 долари или повеќе секоја година за да ги направите овие работи 10-15 проценти подобро? Дали воопшто би ја забележале разликата?

За повеќето луѓе, одговорот е не.

Иднината на законот на Мур

Во минатото, најголем дел од инвестициските средства во технологијата на полупроводници доаѓаа од трошоците за воена одбрана. Потоа беше заменет со производители на електроника за широка потрошувачка, а до 2020-2023 година, водечките инвестиции во понатамошен развој на микрочипови повторно ќе се префрлат, овој пат од индустриите специјализирани за следново:

• Содржина од следната генерација. Претстојното воведување на уреди за холографска, виртуелна и проширена реалност за пошироката јавност ќе поттикне поголема побарувачка за пренос на податоци, особено кога овие технологии созреваат и растат во популарност во доцните 2020-ти.

• облак компјутери. Објаснето во следниот дел од оваа серија.

• Автономни возила. Темелно објаснето во нашата Иднината на транспортот серија.

• Интернет на нештата. Објаснето во нашата Интернет на нештата поглавје во нашата Иднината на Интернетот серија.

• Големи податоци и аналитика. Организациите на кои им е потребно редовно собирање податоци - како војска, истражување на вселената, метеоролошки прогнозери, фармацевтски производи, логистика итн. - ќе продолжат да бараат сè помоќни компјутери за да ги анализираат нивните сетови на собрани податоци кои постојано се прошируваат.

Финансирањето за истражување и развој на микрочиповите од следната генерација секогаш ќе постои, но прашањето е дали нивото на финансирање потребно за посложени форми на микропроцесори може да биде во чекор со барањата за раст на Муровиот закон. Со оглед на трошоците за префрлување и комерцијализација на нови форми на микрочипови, заедно со забавувањето на побарувачката на потрошувачите, идните владини буџетски кратења и економските рецесии, шансите се дека Муровиот закон ќе забави или ќе запре накратко на почетокот на 2020-тите, пред да се врати до крајот на 2020-тите, почетокот на 2030-тите.

Што се однесува до тоа зошто Муровиот закон повторно ќе ја зголеми брзината, добро, да речеме дека микрочиповите со турбо погон не се единствената револуција што доаѓа низ компјутерската линија. Следно, во нашата серија „Иднина на компјутерите“, ќе ги истражиме трендовите кои го поттикнуваат растот на облак компјутерите.

Серијата Future of Computers

Нови кориснички интерфејси за редефинирање на човештвото: Иднината на компјутерите P1

Иднина на развој на софтвер: Иднина на компјутерите П2

Револуција за дигитално складирање: Иднината на компјутерите P3

Cloud computing станува децентрализирано: Иднината на компјутерите P5

Зошто земјите се натпреваруваат за изградба на најголеми суперкомпјутери? Иднината на компјутерите P6

Како квантните компјутери ќе го променат светот: Иднината на компјутерите P7