Undang-undang Moore yang semakin pudar untuk mencetuskan pemikiran semula asas mikrocip: Masa Depan Komputer P4

Komputer—ia adalah masalah besar. Tetapi untuk benar-benar menghargai trend baru muncul yang telah kami bayangkan setakat ini dalam siri Masa Depan Komputer kami, kami juga perlu memahami revolusi yang memecut ke bawah saluran paip pengiraan, atau ringkasnya: masa depan cip mikro.

Untuk mendapatkan perkara asas, kita perlu memahami Undang-undang Moore, undang-undang yang kini terkenal Dr. Gordon E. Moore yang diasaskan pada tahun 1965. Pada asasnya, apa yang Moore sedar semua dekad yang lalu ialah bilangan transistor dalam litar bersepadu berganda. setiap 18 hingga 24 bulan. Inilah sebabnya mengapa komputer yang sama yang anda beli hari ini dengan harga $1,000 akan menelan kos $500 dua tahun dari sekarang.

Selama lebih lima puluh tahun, industri semikonduktor telah mematuhi garis aliran pengkompaunan undang-undang ini, membuka jalan bagi sistem pengendalian baharu, permainan video, video penstriman, apl mudah alih dan setiap teknologi digital lain yang telah mentakrifkan budaya moden kita. Tetapi sementara permintaan untuk pertumbuhan ini kelihatan seperti ia akan kekal stabil untuk setengah abad lagi, silikon—bahan batuan dasar yang digunakan oleh semua cip moden—tidak kelihatan seperti ia akan memenuhi permintaan itu untuk lebih lama berlalu 2021—menurut laporan terakhir daripada Pelan Hala Tuju Teknologi Antarabangsa untuk Semikonduktor (ITRS)

Ia benar-benar fizik: industri semikonduktor mengecilkan transistor kepada skala atom, silikon skala tidak lama lagi akan tidak sesuai untuknya. Dan semakin industri ini cuba mengecilkan silikon melepasi had optimumnya, semakin mahal setiap evolusi mikrocip.

Di sinilah kita berada hari ini. Dalam beberapa tahun, silikon tidak lagi menjadi bahan kos efektif untuk membina cip mikro termaju generasi akan datang. Had ini akan memaksa revolusi dalam elektronik dengan memaksa industri semikonduktor (dan masyarakat) untuk memilih antara beberapa pilihan:

• Pilihan pertama adalah untuk memperlahankan, atau menamatkan, pembangunan yang mahal untuk mengecilkan lagi silikon, memihak kepada mencari cara baru untuk mereka bentuk mikrocip yang menjana lebih banyak kuasa pemprosesan tanpa pengecilan tambahan.

• Kedua, cari bahan baharu yang boleh dimanipulasi pada skala yang jauh lebih kecil daripada silikon untuk memasukkan bilangan transistor yang lebih banyak ke dalam cip mikro yang lebih padat.

• Ketiga, daripada memfokuskan pada pengecilan atau peningkatan penggunaan kuasa, fokus semula pada kelajuan pemprosesan melalui mencipta pemproses yang khusus untuk kes penggunaan tertentu. Ini mungkin bermakna daripada mempunyai satu cip generalis, komputer masa depan mungkin mempunyai sekumpulan cip pakar. Contohnya termasuk cip grafik yang digunakan untuk menambah baik permainan video pengenalan Google daripada cip Tensor Processing Unit (TPU) yang mengkhusus dalam aplikasi pembelajaran mesin.

• Akhir sekali, reka bentuk perisian dan infrastruktur awan baharu yang boleh beroperasi dengan lebih pantas dan cekap tanpa memerlukan cip mikro yang lebih padat/kecil.

Pilihan manakah yang akan dipilih oleh industri teknologi kita? Secara realistik: kesemuanya.

Talian hayat untuk Undang-undang Moore

Senarai berikut ialah gambaran ringkas tentang inovasi jangka pendek dan jangka panjang yang pesaing dalam industri semikonduktor akan gunakan untuk mengekalkan Undang-undang Moore. Bahagian ini agak padat, tetapi kami akan cuba memastikan ia boleh dibaca.

Bahan Nano. Syarikat semikonduktor terkemuka, seperti Intel, telah mengumumkan bahawa mereka akan melakukannya jatuhkan silikon sebaik sahaja ia mencapai skala pengecilan tujuh nanometer (7nm). Calon-calon untuk menggantikan silikon termasuk indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), dan silikon-germanium (SiGe) tetapi bahan yang paling teruja nampaknya ialah tiub nano karbon. Diperbuat daripada grafit—sendirinya timbunan komposit bahan ajaib, graphene—karbon nanotiub boleh dijadikan atom tebal, sangat konduktif, dan dianggarkan membuat cip mikro masa hadapan sehingga lima kali lebih pantas menjelang 2020.

Pengkomputeran optik. Salah satu cabaran terbesar dalam mereka bentuk cip ialah memastikan elektron tidak melangkau dari satu transistor ke transistor yang lain—pertimbangan yang menjadi lebih sukar apabila anda memasuki tahap atom. Teknologi baru pengkomputeran optik kelihatan menggantikan elektron dengan foton, di mana cahaya (bukan elektrik) dihantar dari transistor ke transistor. Dalam 2017, penyelidik mengambil langkah besar ke arah matlamat ini dengan menunjukkan keupayaan untuk menyimpan maklumat berasaskan cahaya (foton) sebagai gelombang bunyi pada cip komputer. Menggunakan pendekatan ini, mikrocip boleh beroperasi hampir kelajuan cahaya menjelang 2025.

Spintronics. Lebih dua dekad dalam pembangunan, transistor spintronik cuba menggunakan 'putaran' elektron dan bukannya casnya untuk mewakili maklumat. Walaupun masih jauh dari pengkomersilan, jika diselesaikan, bentuk transistor ini hanya memerlukan 10-20 milivolt untuk beroperasi, ratusan kali lebih kecil daripada transistor konvensional; ini juga akan menghapuskan isu terlalu panas yang dihadapi syarikat semikonduktor apabila menghasilkan cip yang lebih kecil.

Pengkomputeran neuromorfik dan memristor. Satu lagi pendekatan baru untuk menyelesaikan krisis pemprosesan yang menjulang ini terletak pada otak manusia. Penyelidik di IBM dan DARPA, khususnya, mengetuai pembangunan jenis mikrocip baharu—cip yang litar bersepadunya direka bentuk untuk meniru pendekatan otak yang lebih terdesentralisasi dan tidak linear untuk pengkomputeran. (Lihat ini Artikel ScienceBlogs untuk lebih memahami perbezaan antara otak manusia dan komputer.) Keputusan awal menunjukkan bahawa cip yang meniru otak bukan sahaja lebih cekap dengan ketara, tetapi ia beroperasi menggunakan watt yang kurang dipercayai berbanding cip mikro masa kini.

Menggunakan pendekatan pemodelan otak yang sama ini, transistor itu sendiri, blok bangunan peribahasa mikrocip komputer anda, mungkin akan digantikan dengan memristor tidak lama lagi. Menjelang era "ionik", memristor menawarkan beberapa kelebihan menarik berbanding transistor tradisional:

• Pertama, memristor boleh mengingati aliran elektron yang melaluinya—walaupun kuasa diputuskan. Jika diterjemahkan, ini bermakna suatu hari nanti anda boleh menghidupkan komputer anda pada kelajuan yang sama seperti mentol lampu anda.

• Transistor adalah binari, sama ada 1s atau 0s. Memristor, sementara itu, boleh mempunyai pelbagai keadaan di antara ekstrem tersebut, seperti 0.25, 0.5, 0.747, dsb. Ini menjadikan memristor beroperasi serupa dengan sinaps dalam otak kita, dan itu masalah besar kerana ia boleh membuka rangkaian pengkomputeran masa hadapan kemungkinan.

• Seterusnya, memristor tidak memerlukan silikon untuk berfungsi, membuka laluan bagi industri semikonduktor untuk bereksperimen dengan menggunakan bahan baharu untuk mengecilkan lagi cip mikro (seperti yang digariskan sebelum ini).

• Akhir sekali, sama dengan penemuan yang dibuat oleh IBM dan DARPA ke dalam pengkomputeran neuromorfik, cip mikro berdasarkan memristor adalah lebih pantas, menggunakan kurang tenaga, dan boleh menyimpan kepadatan maklumat yang lebih tinggi daripada cip yang ada di pasaran.

Cip 3D. Cip mikro tradisional dan transistor yang memberi kuasa kepada mereka beroperasi pada satah dua dimensi yang rata, tetapi pada awal 2010-an, syarikat semikonduktor mula bereksperimen dengan menambah dimensi ketiga pada cip mereka. Dipanggil 'finFET', transistor baharu ini mempunyai saluran yang melekat dari permukaan cip, memberikan mereka kawalan yang lebih baik ke atas apa yang berlaku dalam saluran mereka, membolehkan mereka berjalan hampir 40 peratus lebih pantas, dan beroperasi menggunakan separuh tenaga. Kelemahannya, bagaimanapun, ialah cip ini jauh lebih sukar (mahal) untuk dihasilkan pada masa ini.

Tetapi di luar mereka bentuk semula transistor individu, masa depan Cip 3D juga bertujuan untuk menggabungkan pengkomputeran dan penyimpanan data dalam lapisan bertindan menegak. Pada masa ini, komputer tradisional menempatkan kayu memori mereka sentimeter dari pemprosesnya. Tetapi dengan menyepadukan memori dan komponen pemprosesan, jarak ini menurun dari sentimeter kepada mikrometer, membolehkan peningkatan besar dalam kelajuan pemprosesan dan penggunaan tenaga.

Pengkomputeran kuantum. Melihat lebih jauh ke masa hadapan, sebahagian besar pengkomputeran peringkat perusahaan boleh beroperasi di bawah undang-undang fizik kuantum yang aneh. Walau bagaimanapun, disebabkan kepentingan pengkomputeran jenis ini, kami memberikannya bab tersendiri pada penghujung siri ini.

Mikrocip super bukan perniagaan yang baik

Baiklah, jadi apa yang anda baca di atas semuanya baik dan bagus—kita bercakap tentang cip mikro sangat cekap tenaga yang dimodelkan mengikut otak manusia yang boleh berjalan pada kelajuan cahaya—tetapi masalahnya, industri pembuatan cip semikonduktor tidak terlalu bersemangat untuk mengubah konsep ini menjadi realiti yang dihasilkan secara besar-besaran.

Gergasi teknologi, seperti Intel, Samsung dan AMD, telah melabur berbilion dolar selama beberapa dekad untuk menghasilkan cip mikro berasaskan silikon tradisional. Beralih kepada mana-mana konsep baru yang dinyatakan di atas bermakna menghapuskan pelaburan tersebut dan membelanjakan berbilion-bilion lagi untuk membina kilang baharu untuk menghasilkan model mikrocip baharu secara besar-besaran yang mempunyai rekod prestasi jualan sifar.

Bukan hanya pelaburan masa dan wang yang menahan syarikat semikonduktor ini. Permintaan pengguna untuk cip mikro yang lebih berkuasa juga semakin berkurangan. Fikirkanlah: Pada tahun 90-an dan kebanyakan tahun 00-an, hampir pasti anda akan berdagang dalam komputer atau telefon anda, jika tidak setiap tahun, maka setiap tahun. Ini akan membolehkan anda mengikuti semua perisian dan aplikasi baharu yang keluar untuk menjadikan kehidupan rumah dan tempat kerja anda lebih mudah dan lebih baik. Hari ini, berapa kerap anda menaik taraf kepada model desktop atau komputer riba terkini di pasaran?

Apabila anda memikirkan telefon pintar anda, anda mempunyai dalam poket anda apa yang akan dianggap sebagai superkomputer hanya 20 tahun yang lalu. Selain daripada aduan tentang hayat bateri dan memori, kebanyakan telefon yang dibeli sejak 2016 mampu menjalankan sebarang apl atau permainan mudah alih, menstrim sebarang video muzik atau sesi facetiming nakal dengan SO anda, atau kebanyakan perkara lain yang anda mahu lakukan pada anda. telefon. Adakah anda benar-benar perlu membelanjakan $1,000 atau lebih setiap tahun untuk melakukan perkara ini 10-15 peratus lebih baik? Adakah anda akan perasan perbezaannya?

Bagi kebanyakan orang, jawapannya adalah tidak.

Masa depan Undang-undang Moore

Pada masa lalu, kebanyakan pembiayaan pelaburan ke dalam teknologi semikonduktor datang daripada perbelanjaan pertahanan tentera. Ia kemudiannya digantikan oleh pengeluar elektronik pengguna, dan menjelang 2020-2023, pelaburan terkemuka ke dalam pembangunan cip mikro selanjutnya akan beralih lagi, kali ini daripada industri yang mengkhusus dalam perkara berikut:

• Kandungan Next-Gen. Pengenalan akan datang peranti holografik, maya dan realiti tambahan kepada orang ramai akan merangsang permintaan yang lebih besar untuk penstriman data, terutamanya apabila teknologi ini matang dan semakin popular pada penghujung 2020-an.

• pengkomputeran awan. Diterangkan dalam bahagian seterusnya siri ini.

• Kenderaan autonomi. Diterangkan dengan teliti dalam kami Masa Depan Pengangkutan siri.

• Internet perkara. Diterangkan dalam kami Internet Perkara bab dalam kami Masa Depan Internet siri.

• Data besar dan analitik. Organisasi yang memerlukan pemecahan data secara tetap—berfikir tentera, penerokaan angkasa lepas, peramal cuaca, farmaseutikal, logistik, dll—akan terus menuntut komputer yang semakin berkuasa untuk menganalisis set data terkumpul mereka yang sentiasa berkembang.

Pembiayaan untuk R&D kepada cip mikro generasi akan datang akan sentiasa wujud, tetapi persoalannya ialah sama ada tahap pembiayaan yang diperlukan untuk bentuk mikropemproses yang lebih kompleks dapat bersaing dengan permintaan pertumbuhan Undang-undang Moore. Memandangkan kos beralih kepada dan mengkomersialkan bentuk mikrocip baharu, ditambah pula dengan permintaan pengguna yang perlahan, masalah bajet kerajaan masa depan dan kemelesetan ekonomi, kemungkinan Undang-undang Moore akan perlahan atau terhenti seketika pada awal tahun 2020-an, sebelum pulih menjelang lewat. 2020, awal 2030.

Mengenai mengapa Undang-undang Moore akan meningkatkan kelajuan lagi, baiklah, katakan sahaja bahawa mikrocip berkuasa turbo bukanlah satu-satunya revolusi yang datang ke saluran paip pengkomputeran. Seterusnya dalam siri Masa Depan Komputer kami, kami akan meneroka arah aliran yang memacu pertumbuhan pengkomputeran awan.

siri Masa Depan Komputer

Antara muka pengguna yang muncul untuk mentakrifkan semula kemanusiaan: Masa Depan komputer P1

Masa depan pembangunan perisian: Masa depan komputer P2

Revolusi storan digital: Masa Depan Komputer P3

Pengkomputeran awan menjadi tidak berpusat: Masa Depan Komputer P5

Mengapa negara bersaing untuk membina superkomputer terbesar? Masa Depan Komputer P6

Bagaimana komputer Kuantum akan mengubah dunia: Masa Depan Komputer P7