मायक्रोचिपचा मूलभूत पुनर्विचार करण्यासाठी एक लुप्त होत जाणारा मूरचा कायदा: संगणक P4 चे भविष्य

संगणक - ते एक प्रकारची मोठी गोष्ट आहेत. परंतु आमच्या फ्यूचर ऑफ कॉम्प्युटर मालिकेत आम्ही आतापर्यंत ज्या उदयोन्मुख ट्रेंडचे संकेत दिले आहेत त्यांचे खरोखर कौतुक करण्यासाठी, आम्हाला संगणकीय पाइपलाइन किंवा फक्त: मायक्रोचिपचे भविष्य देखील समजून घेणे आवश्यक आहे.

मूलभूत गोष्टींपासून दूर जाण्यासाठी, आपल्याला मूरचा कायदा समजून घ्यावा लागेल, जो आताचा प्रसिद्ध कायदा डॉ. गॉर्डन ई. मूरने 1965 मध्ये स्थापित केला होता. मूलत:, मूरला त्या सर्व दशकांपूर्वी जे समजले ते म्हणजे एकात्मिक सर्किटमध्ये ट्रान्झिस्टरची संख्या दुप्पट होते. दर 18 ते 24 महिन्यांनी. म्हणूनच तुम्ही आज जो संगणक $1,000 ला विकत घेतला आहे त्याची किंमत आतापासून दोन वर्षांनी तुम्हाला $500 लागेल.

पन्नास वर्षांहून अधिक काळ, सेमीकंडक्टर उद्योग या कायद्याच्या कंपाऊंडिंग ट्रेंडलाइननुसार जगला आहे, ज्यामुळे नवीन ऑपरेटिंग सिस्टम, व्हिडिओ गेम्स, व्हिडिओ स्ट्रीमिंग, मोबाइल अॅप्स आणि इतर प्रत्येक डिजिटल तंत्रज्ञानाचा मार्ग मोकळा झाला आहे ज्याने आपली आधुनिक संस्कृती परिभाषित केली आहे. परंतु या वाढीची मागणी अजून अर्ध्या शतकापर्यंत स्थिर राहील असे दिसत असताना, सिलिकॉन—सर्व आधुनिक मायक्रोचिप बांधलेल्या पायाभूत सामग्री—त्यामुळे २०२१ पर्यंतची मागणी पूर्ण होईल असे दिसत नाही—त्यानुसार कडून शेवटचा अहवाल सेमीकंडक्टरसाठी आंतरराष्ट्रीय तंत्रज्ञान रोडमॅप (ITRS)

हे खरोखर भौतिकशास्त्र आहे: सेमीकंडक्टर उद्योग ट्रान्झिस्टरला अणू स्केलवर कमी करत आहे, एक स्केल सिलिकॉन लवकरच अयोग्य असेल. आणि हा उद्योग जितका जास्त सिलिकॉनला त्याच्या इष्टतम मर्यादेपेक्षा कमी करण्याचा प्रयत्न करेल, तितकी प्रत्येक मायक्रोचिप उत्क्रांती अधिक महाग होईल.

आज आपण इथे आहोत. काही वर्षांत, सिलिकॉन यापुढे अत्याधुनिक मायक्रोचिप्सची पुढील पिढी तयार करण्यासाठी किफायतशीर साहित्य राहणार नाही. ही मर्यादा सेमीकंडक्टर उद्योगाला (आणि समाजाला) काही पर्यायांमधून निवडण्यास भाग पाडून इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये क्रांती घडवून आणेल:

• पहिला पर्याय म्हणजे सिलिकॉनचे आणखी सूक्ष्मीकरण करण्यासाठी खर्चिक विकास धीमा करणे किंवा समाप्त करणे, अतिरिक्त लघुकरणाशिवाय अधिक प्रक्रिया शक्ती निर्माण करणार्‍या मायक्रोचिप डिझाइन करण्याचे नवीन मार्ग शोधण्याच्या बाजूने.

• दुसरे, नवीन सामग्री शोधा जी सिलिकॉनपेक्षा खूपच लहान स्केलवर हाताळली जाऊ शकते जेणेकरून जास्त संख्येने ट्रान्झिस्टर अगदी घन मायक्रोचिपमध्ये भरले जातील.

• तिसरे, लघुकरण किंवा उर्जा वापर सुधारण्यावर लक्ष केंद्रित करण्याऐवजी, विशिष्ट वापराच्या प्रकरणांसाठी खास असलेले प्रोसेसर तयार करून प्रक्रियेच्या गतीवर पुन्हा लक्ष केंद्रित करा. याचा अर्थ असा होऊ शकतो की एक सामान्य चिप असण्याऐवजी, भविष्यातील संगणकांमध्ये विशेषज्ञ चिप्सचा क्लस्टर असू शकतो. उदाहरणांमध्ये व्हिडिओ गेम सुधारण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या ग्राफिक्स चिप्सचा समावेश होतो Google चा परिचय मशीन लर्निंग ऍप्लिकेशन्समध्ये माहिर असलेल्या टेन्सर प्रोसेसिंग युनिट (TPU) चिपची.

• शेवटी, नवीन सॉफ्टवेअर आणि क्लाउड इन्फ्रास्ट्रक्चर डिझाईन करा जे अधिक जलद आणि अधिक कार्यक्षमतेने काम करू शकतील जे घनते/लहान मायक्रोचिपची आवश्यकता न ठेवता.

आमचा तंत्रज्ञान उद्योग कोणता पर्याय निवडेल? वास्तववादी: ते सर्व.

मूरच्या कायद्यासाठी जीवनरेखा

सेमीकंडक्टर उद्योगातील स्पर्धक मूरचा कायदा जिवंत ठेवण्यासाठी वापरतील अशा जवळच्या आणि दीर्घकालीन नवकल्पनांची खालील यादी थोडक्यात झलक आहे. हा भाग थोडा दाट आहे, परंतु आम्ही तो वाचनीय ठेवण्याचा प्रयत्न करू.

नॉनमोटेरियल्स. इंटेल सारख्या आघाडीच्या सेमीकंडक्टर कंपन्यांनी यापूर्वीच जाहीर केले आहे सिलिकॉन ड्रॉप करा एकदा ते सात नॅनोमीटर (7nm) च्या सूक्ष्मीकरण स्केलवर पोहोचतात. सिलिकॉन बदलण्यासाठी उमेदवारांमध्ये इंडियम अँटीमोनाइड (InSb), इंडियम गॅलियम आर्सेनाइड (InGaAs), आणि सिलिकॉन-जर्मेनियम (SiGe) यांचा समावेश आहे परंतु सर्वात जास्त उत्तेजन देणारी सामग्री कार्बन नॅनोट्यूब असल्याचे दिसते. ग्रेफाइटपासून बनविलेले-स्वत:च आश्चर्यकारक सामग्रीचा एक संमिश्र स्टॅक, ग्राफीन-कार्बन नॅनोट्यूब हे अणू जाड केले जाऊ शकतात, अत्यंत प्रवाहकीय आहेत आणि 2020 पर्यंत भविष्यातील मायक्रोचिप पाचपट जलद बनवण्याचा अंदाज आहे.

ऑप्टिकल संगणन. चिप्स डिझाईन करताना सर्वात मोठे आव्हान म्हणजे इलेक्ट्रॉन्स एका ट्रान्झिस्टरवरून दुसऱ्या ट्रान्झिस्टरवर जात नाहीत याची खात्री करणे - तुम्ही अणु स्तरावर प्रवेश केल्यावर अनंत कठीण होते. ऑप्टिकल कंप्युटिंगचे उदयोन्मुख तंत्रज्ञान इलेक्ट्रॉनला फोटॉन्ससह बदलू शकते, ज्याद्वारे प्रकाश (विद्युत नाही) ट्रान्झिस्टरपासून ट्रान्झिस्टरकडे जातो. 2017 मध्ये, संशोधकांनी संगणक चिपवर ध्वनी लहरी म्हणून प्रकाश-आधारित माहिती (फोटोन) संचयित करण्याची क्षमता प्रदर्शित करून या ध्येयाच्या दिशेने एक मोठे पाऊल उचलले. या दृष्टिकोनाचा वापर करून, 2025 पर्यंत मायक्रोचिप प्रकाशाच्या वेगाने कार्य करू शकतील.

स्पिन्ट्रॉनिक्स. विकासाच्या दोन दशकांहून अधिक काळ, स्पिंट्रॉनिक ट्रान्झिस्टर माहितीचे प्रतिनिधित्व करण्यासाठी इलेक्ट्रॉनच्या चार्जऐवजी 'स्पिन' वापरण्याचा प्रयत्न करतात. व्यापारीकरणापासून अजून लांब असताना, जर त्याचे निराकरण केले गेले तर, ट्रान्झिस्टरचे हे स्वरूप चालविण्यासाठी फक्त 10-20 मिलिव्होल्टची आवश्यकता असेल, परंपरागत ट्रान्झिस्टरपेक्षा शेकडो पटीने लहान; यामुळे सेमीकंडक्टर कंपन्यांना छोट्या चिप्सचे उत्पादन करताना ओव्हरहाटिंगच्या समस्या देखील दूर होतील.

न्यूरोमॉर्फिक संगणन आणि मेमरीस्टर्स. या वाढत्या प्रक्रियेचे संकट सोडवण्याचा आणखी एक अभिनव दृष्टिकोन मानवी मेंदूमध्ये आहे. IBM आणि DARPA मधील संशोधक, विशेषत:, नवीन प्रकारच्या मायक्रोचिपच्या विकासाचे नेतृत्व करत आहेत - एक चिप ज्याची एकात्मिक सर्किट्स संगणकाच्या अधिक विकेंद्रित आणि नॉन-लाइनर दृष्टिकोनाची नक्कल करण्यासाठी डिझाइन केलेली आहेत. (हे पहा ScienceBlogs लेख मानवी मेंदू आणि संगणक यांच्यातील फरक अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी.) सुरुवातीचे परिणाम सूचित करतात की मेंदूची नक्कल करणार्‍या चिप्स केवळ लक्षणीयरीत्या अधिक कार्यक्षम नसतात, परंतु त्या सध्याच्या मायक्रोचिपच्या तुलनेत अविश्वसनीयपणे कमी वॅटेज वापरून कार्य करतात.

याच ब्रेन मॉडेलिंग पद्धतीचा वापर करून, ट्रान्झिस्टर स्वतःच, तुमच्या कॉम्प्युटरच्या मायक्रोचिपचा लौकिक बिल्डिंग ब्लॉक, लवकरच मेमरिस्टरने बदलला जाऊ शकतो. "आयनिक्स" युगात प्रवेश करताना, मेमरीस्टर पारंपारिक ट्रान्झिस्टरपेक्षा अनेक मनोरंजक फायदे देते:

• प्रथम, मेमरीस्टर त्यांच्यामधून जाणारा इलेक्ट्रॉन प्रवाह लक्षात ठेवू शकतात - जरी पॉवर कट झाला तरीही. अनुवादित, याचा अर्थ असा आहे की एके दिवशी तुम्ही तुमचा संगणक तुमच्या लाइट बल्बच्या वेगाने चालू करू शकता.

• ट्रान्झिस्टर बायनरी आहेत, एकतर 1s किंवा 0s. यादरम्यान, मेमरीस्टर्समध्ये 0.25, 0.5, 0.747, इत्यादी सारख्या टोकांच्या दरम्यान विविध अवस्था असू शकतात. यामुळे मेमरीस्टर्स आपल्या मेंदूतील सायनॅप्स प्रमाणेच कार्य करतात आणि ही एक मोठी गोष्ट आहे कारण यामुळे भविष्यातील संगणकीय श्रेणी उघडू शकते. शक्यता.

• पुढे, मेमरीस्टर्सना कार्य करण्यासाठी सिलिकॉनची आवश्यकता नसते, ज्यामुळे सेमीकंडक्टर उद्योगाला मायक्रोचिप्स (आधी सांगितल्याप्रमाणे) लघुकरण करण्यासाठी नवीन सामग्री वापरून प्रयोग करण्याचा मार्ग खुला होतो.

• शेवटी, IBM आणि DARPA ने न्यूरोमॉर्फिक कंप्युटिंगमध्ये केलेल्या निष्कर्षांप्रमाणेच, मेमरीस्टरवर आधारित मायक्रोचिप वेगवान आहेत, कमी ऊर्जा वापरतात आणि सध्या बाजारात असलेल्या चिप्सपेक्षा जास्त माहिती घनता ठेवू शकतात.

3D चिप्स. पारंपारिक मायक्रोचिप आणि त्यांना उर्जा देणारे ट्रान्झिस्टर सपाट, द्विमितीय विमानावर चालतात, परंतु 2010 च्या दशकाच्या सुरुवातीस, सेमीकंडक्टर कंपन्यांनी त्यांच्या चिप्समध्ये तिसरा आयाम जोडण्याचा प्रयोग सुरू केला. 'finFET' नावाच्या, या नवीन ट्रान्झिस्टरमध्ये एक चॅनेल आहे जो चिपच्या पृष्ठभागावर चिकटून राहतो, ज्यामुळे त्यांना त्यांच्या चॅनेलमध्ये काय घडते यावर अधिक चांगले नियंत्रण मिळते, त्यांना जवळपास 40 टक्के वेगाने चालवता येते आणि अर्धी ऊर्जा वापरता येते. तथापि, नकारात्मक बाजू अशी आहे की या चिप्स या क्षणी उत्पादन करणे अधिक कठीण (महाग) आहे.

परंतु वैयक्तिक ट्रान्झिस्टरची पुनर्रचना करण्यापलीकडे, भविष्य 3D चिप्स अनुलंब स्टॅक केलेल्या स्तरांमध्ये संगणन आणि डेटा संचयन एकत्र करण्याचे देखील उद्दिष्ट आहे. सध्या, पारंपारिक संगणक त्यांच्या प्रोसेसरपासून सेंटीमीटरवर मेमरी ठेवतात. परंतु मेमरी आणि प्रक्रिया घटक एकत्रित केल्याने, हे अंतर सेंटीमीटर ते मायक्रोमीटरपर्यंत घसरते, ज्यामुळे प्रक्रियेचा वेग आणि ऊर्जा वापरामध्ये मोठी सुधारणा होते.

क्वांटम संगणन. भविष्याकडे पाहताना, एंटरप्राइझ लेव्हल कॉम्प्युटिंगचा मोठा भाग क्वांटम फिजिक्सच्या विचित्र नियमांनुसार कार्य करू शकतो. तथापि, या प्रकारच्या संगणनाच्या महत्त्वामुळे, आम्ही या मालिकेच्या अगदी शेवटी त्याचा स्वतःचा अध्याय दिला.

सुपर मायक्रोचिप चांगला व्यवसाय नाही

ठीक आहे, तर तुम्ही वर जे वाचले ते सर्व चांगले आणि चांगले आहे—आम्ही प्रकाशाच्या वेगाने धावू शकणार्‍या मानवी मेंदूच्या अनुकरणाने तयार केलेल्या अल्ट्रा-ऊर्जा-कार्यक्षम मायक्रोचिपबद्दल बोलत आहोत—पण गोष्ट अशी आहे की, सेमीकंडक्टर चिप बनवण्याचा उद्योग नाही. या संकल्पनांना वस्तुमान-उत्पादित वास्तवात रूपांतरित करण्यासाठी खूप उत्सुक.

इंटेल, सॅमसंग आणि AMD सारख्या टेक दिग्गजांनी पारंपारिक, सिलिकॉन-आधारित मायक्रोचिप तयार करण्यासाठी दशकांपासून कोट्यावधी डॉलर्सची गुंतवणूक केली आहे. वर नमूद केलेल्या कोणत्याही नवीन संकल्पनांकडे वळणे म्हणजे त्या गुंतवणुकी रद्द करणे आणि शून्य विक्री ट्रॅक रेकॉर्ड असलेल्या नवीन मायक्रोचिप मॉडेल्सचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन करण्यासाठी नवीन कारखाने बांधण्यासाठी कोट्यवधी अधिक खर्च करणे होय.

केवळ वेळ आणि पैशाची गुंतवणूक या सेमीकंडक्टर कंपन्यांना मागे ठेवत नाही. अधिक शक्तिशाली मायक्रोचिपसाठी ग्राहकांची मागणी देखील कमी होत आहे. याचा विचार करा: 90 च्या दशकात आणि 00 च्या दशकात, हे जवळजवळ दिले गेले होते की तुम्ही तुमच्या संगणकावर किंवा फोनवर व्यापार कराल, दर वर्षी नाही तर प्रत्येक वर्षी. हे तुम्हाला तुमचे घर आणि कामाचे जीवन सुलभ आणि चांगले बनवण्यासाठी बाहेर येत असलेल्या सर्व नवीन सॉफ्टवेअर आणि अॅप्लिकेशन्सची माहिती ठेवू देईल. आजकाल, तुम्ही बाजारात नवीनतम डेस्कटॉप किंवा लॅपटॉप मॉडेलमध्ये किती वेळा अपग्रेड करता?

जेव्हा तुम्ही तुमच्या स्मार्टफोनचा विचार करता, तेव्हा तुमच्या खिशात फक्त 20 वर्षांपूर्वी सुपर कॉम्प्युटर मानला जात असे. बॅटरी लाइफ आणि मेमरीबद्दलच्या तक्रारींशिवाय, 2016 पासून खरेदी केलेले बहुतेक फोन कोणतेही अॅप किंवा मोबाइल गेम चालविण्यास, कोणताही संगीत व्हिडिओ प्रवाहित करण्यास किंवा आपल्या SO सह खोडकर फेसटाइमिंग सत्र किंवा इतर कोणत्याही गोष्टीसाठी पूर्णपणे सक्षम आहेत. फोन या गोष्टी 1,000-10 टक्के चांगल्या प्रकारे करण्यासाठी तुम्हाला दरवर्षी $15 किंवा अधिक खर्च करण्याची गरज आहे का? तुम्हालाही फरक जाणवेल का?

बहुतेक लोकांसाठी, उत्तर नाही आहे.

मूरच्या कायद्याचे भविष्य

भूतकाळात, सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानातील बहुतेक गुंतवणूक निधी लष्करी संरक्षण खर्चातून आला होता. त्यानंतर त्याची जागा ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादकांनी घेतली आणि 2020-2023 पर्यंत, पुढील मायक्रोचिप विकासामध्ये आघाडीची गुंतवणूक पुन्हा स्थलांतरित होईल, यावेळी खालील गोष्टींमध्ये विशेष असलेल्या उद्योगांकडून:

• पुढील-जनरल सामग्री. होलोग्राफिक, व्हर्च्युअल आणि ऑगमेंटेड रिअ‍ॅलिटी डिव्हाइसेसचा सामान्य लोकांसाठी येणारा परिचय डेटा स्ट्रीमिंगसाठी मोठ्या प्रमाणात मागणी वाढवेल, विशेषत: 2020 च्या दशकाच्या उत्तरार्धात ही तंत्रज्ञान परिपक्व आणि लोकप्रिय होत असल्याने.

• क्लाउड कॉम्प्युटिंग. या मालिकेच्या पुढील भागात स्पष्ट केले आहे.

• स्वायत्त वाहने. आमच्या मध्ये नख समजावून सांगितले वाहतुकीचे भविष्य मालिका.

• गोष्टींचे इंटरनेट. आमच्या मध्ये स्पष्ट केले आहे गोष्टी इंटरनेट आमच्या मध्ये धडा इंटरनेटचे भविष्य मालिका.

• मोठा डेटा आणि विश्लेषण. ज्या संस्थांना नियमित डेटा क्रंचिंगची आवश्यकता असते—सैन्य, अंतराळ संशोधन, हवामान अंदाज, औषधी, लॉजिस्टिक इ.—संकलित केलेल्या डेटाच्या त्यांच्या सतत विस्तारणाऱ्या संचाचे विश्लेषण करण्यासाठी वाढत्या शक्तिशाली संगणकांची मागणी करणे सुरू ठेवेल.

पुढील पिढीच्या मायक्रोचिपमध्ये R&D साठी निधी नेहमीच अस्तित्वात असेल, परंतु प्रश्न हा आहे की मायक्रोप्रोसेसरच्या अधिक जटिल स्वरूपासाठी आवश्यक निधीची पातळी मूरच्या कायद्याच्या वाढीच्या मागणीनुसार ठेवू शकेल का. मायक्रोचिपच्या नवीन प्रकारांवर स्विच करणे आणि त्याचे व्यापारीकरण करणे, ग्राहकांची मंदावलेली मागणी, भविष्यातील सरकारी बजेट क्रॅंच आणि आर्थिक मंदी या गोष्टी लक्षात घेता मूरचा कायदा 2020 च्या दशकाच्या सुरुवातीस मंद होईल किंवा थांबेल अशी शक्यता आहे. 2020, 2030 च्या सुरुवातीस.

मूरचा कायदा पुन्हा वेग का वाढवेल, बरं, आपण असे म्हणूया की टर्बो-चालित मायक्रोचिप ही संगणकीय पाइपलाइनमध्ये येणारी एकमेव क्रांती नाही. आमच्या फ्यूचर ऑफ कॉम्प्युटर मालिकेत पुढे, आम्ही क्लाउड कॉम्प्युटिंगच्या वाढीला चालना देणारे ट्रेंड एक्सप्लोर करू.

संगणक मालिकेचे भविष्य

मानवता पुन्हा परिभाषित करण्यासाठी उदयोन्मुख वापरकर्ता इंटरफेस: संगणकांचे भविष्य P1

सॉफ्टवेअर डेव्हलपमेंटचे भविष्य: संगणकांचे भविष्य P2

डिजिटल स्टोरेज क्रांती: संगणक P3 चे भविष्य

क्लाउड कॉम्प्युटिंग विकेंद्रित होते: संगणकांचे भविष्य P5

देश सर्वात मोठे सुपर कॉम्प्युटर तयार करण्यासाठी स्पर्धा का करत आहेत? संगणकांचे भविष्य P6

क्वांटम संगणक जग कसे बदलतील: संगणक P7 चे भविष्य