Quantumrun

BILDEKREDITT: Quantumrun

En falmende Moores lov for å sette i gang grunnleggende omtanke om mikrobrikker: Future of Computers P4

David Tal, utgiver, fremtidsforsker
@DavidTalWrites
Linkedin

tirsdag 09 - 15:2020

Datamaskiner – de er en stor sak. Men for å virkelig sette pris på de nye trendene vi har antydet så langt i vår Future of Computers-serie, må vi også forstå revolusjonene som sprinter nedover beregningsrørledningen, eller rett og slett: fremtiden til mikrobrikker.

For å få det grunnleggende ut av veien, må vi forstå Moores lov, den nå berømte loven Dr. Gordon E. Moore grunnlagt i 1965. Det Moore innså for alle disse tiårene siden er at antallet transistorer i en integrert krets dobles hver 18. til 24. måned. Dette er grunnen til at den samme datamaskinen du kjøper i dag for $1,000 vil koste deg $500 om to år.

I over femti år har halvlederindustrien levd opp til denne lovens sammensatte trendlinje, og banet vei for nye operativsystemer, videospill, streaming av video, mobilapper og all annen digital teknologi som har definert vår moderne kultur. Men selv om etterspørselen etter denne veksten ser ut til å forbli stabil i enda et halvt århundre, ser det ikke ut til at silisium – berggrunnsmaterialet alle moderne mikrobrikker er bygget med – vil møte denne etterspørselen mye lenger enn 2021 – i henhold til siste rapport fra International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

Det er egentlig fysikk: halvlederindustrien krymper transistorer til atomskala, en skala silisium vil snart være uegnet for. Og jo mer denne industrien prøver å krympe silisium forbi sine optimale grenser, jo dyrere vil hver mikrochip-evolusjon bli.

Det er her vi er i dag. Om noen år vil silisium ikke lenger være et kostnadseffektivt materiale for å bygge neste generasjon banebrytende mikrobrikker. Denne grensen vil tvinge frem en revolusjon innen elektronikk ved å tvinge halvlederindustrien (og samfunnet) til å velge mellom noen få alternativer:

Det første alternativet er å bremse, eller avslutte, kostbar utvikling for å miniatyrisere silisium ytterligere, til fordel for å finne nye måter å designe mikrobrikker som genererer mer prosessorkraft uten ytterligere miniatyrisering.
For det andre, finn nye materialer som kan manipuleres i langt mindre skalaer enn silisium for å stappe stadig større antall transistorer inn i enda tettere mikrobrikker.
For det tredje, i stedet for å fokusere på miniatyrisering eller forbedringer av strømforbruk, refokus på prosesseringshastigheten ved å lage prosessorer som er spesialiserte for spesifikke brukstilfeller. Dette kan bety at i stedet for å ha én generalistbrikke, kan fremtidige datamaskiner ha en klynge med spesialistbrikker. Eksempler inkluderer grafikkbrikker som brukes til å forbedre videospill til Googles introduksjon av Tensor Processing Unit (TPU)-brikken som spesialiserer seg på maskinlæringsapplikasjoner.
Til slutt, design ny programvare og skyinfrastruktur som kan fungere raskere og mer effektivt uten behov for tettere/mindre mikrobrikker.

Hvilket alternativ vil vår teknologiske industri velge? Realistisk: alle sammen.

Livlinen for Moores lov

Følgende liste er et kort glimt av nær- og langsiktige innovasjoner konkurrenter innen halvlederindustrien vil bruke for å holde Moores lov i live. Denne delen er litt tett, men vi skal prøve å holde den lesbar.

Nanomaterialer. Ledende halvlederselskaper, som Intel, har allerede annonsert at de vil dropp silisium når de når miniatyriseringsskalaer på syv nanometer (7nm). Kandidater til å erstatte silisium inkluderer indium antimonid (InSb), indium gallium arsenid (InGaAs) og silisium-germanium (SiGe), men materialet som får mest spenning ser ut til å være karbon nanorør. Laget av grafitt - i seg selv en sammensatt stabel av vidundermaterialet, grafen - kan karbon-nanorør gjøres tykke atomer, er ekstremt ledende og anslås å lage fremtidige mikrobrikker opptil fem ganger raskere innen 2020.

Optisk databehandling. En av de største utfordringene rundt utforming av brikker er å sikre at elektroner ikke hopper fra en transistor til en annen – en vurdering som blir uendelig mye vanskeligere når du kommer inn på atomnivå. Den nye teknologien innen optisk databehandling ser ut til å erstatte elektroner med fotoner, hvorved lys (ikke elektrisitet) går fra transistor til transistor. i 2017, tok forskere et gigantisk skritt mot dette målet ved å demonstrere evnen til å lagre lysbasert informasjon (fotoner) som lydbølger på en databrikke. Ved å bruke denne tilnærmingen kan mikrobrikker operere nær lysets hastighet innen 2025.

spintronics. Over to tiår i utvikling forsøker spintroniske transistorer å bruke "spinnet" til et elektron i stedet for ladningen for å representere informasjon. Selv om det fortsatt er langt fra kommersialisering, vil denne formen for transistorer bare trenge 10-20 millivolt for å fungere, hvis den løses, hundrevis av ganger mindre enn konvensjonelle transistorer; dette vil også fjerne overopphetingsproblemene halvlederselskaper står overfor når de produserer stadig mindre brikker.

Nevromorf databehandling og memristorer. En annen ny tilnærming til å løse denne truende prosesseringskrisen ligger i den menneskelige hjernen. Spesielt forskere ved IBM og DARPA leder utviklingen av en ny type mikrobrikke - en brikke hvis integrerte kretser er designet for å etterligne hjernens mer desentraliserte og ikke-lineære tilnærming til databehandling. (Sjekk ut dette ScienceBlogs-artikkel for bedre å forstå forskjellene mellom den menneskelige hjernen og datamaskiner.) Tidlige resultater indikerer at brikker som etterligner hjernen ikke bare er betydelig mer effektive, men de bruker utrolig mindre wattstyrke enn dagens mikrobrikker.

Ved å bruke denne samme hjernemodelleringsmetoden kan selve transistoren, den velkjente byggesteinen til datamaskinens mikrobrikke, snart bli erstattet av memristoren. Ved å innlede "ionics"-æraen, tilbyr en memristor en rekke interessante fordeler i forhold til den tradisjonelle transistoren:

For det første kan memristorer huske elektronstrømmen som passerer gjennom dem - selv om strømmen brytes. Oversatt betyr dette at du en dag kan slå på datamaskinen med samme hastighet som lyspæren.
Transistorer er binære, enten 1-ere eller 0-ere. Memristorer kan i mellomtiden ha en rekke tilstander mellom disse ytterpunktene, som 0.25, 0.5, 0.747, osv. Dette gjør at memristorer fungerer på samme måte som synapsene i hjernen vår, og det er en stor sak siden det kan åpne opp for en rekke fremtidig databehandling muligheter.
Deretter trenger ikke memristorer silisium for å fungere, noe som åpner veien for halvlederindustrien til å eksperimentere med å bruke nye materialer for å miniatyrisere mikrobrikker ytterligere (som skissert tidligere).
Til slutt, i likhet med funnene gjort av IBM og DARPA innen nevromorf databehandling, er mikrobrikker basert på memristorer raskere, bruker mindre energi og kan ha en høyere informasjonstetthet enn brikker som er på markedet.

3D-brikker. Tradisjonelle mikrobrikker og transistorene som driver dem opererer på et flatt, todimensjonalt plan, men på begynnelsen av 2010-tallet begynte halvlederselskaper å eksperimentere med å legge til en tredje dimensjon til brikkene deres. Disse nye transistorene, kalt 'finFET', har en kanal som stikker opp fra brikkens overflate, og gir dem bedre kontroll over hva som foregår i kanalene deres, slik at de kan kjøre nesten 40 prosent raskere og bruke halvparten av energien. Ulempen er imidlertid at disse brikkene er betydelig vanskeligere (kostbare) å produsere for øyeblikket.

Men utover å redesigne de individuelle transistorene, fremtiden 3D-brikker har også som mål å kombinere databehandling og datalagring i vertikalt stablede lag. Akkurat nå holder tradisjonelle datamaskiner minnebrikkene sine centimeter fra prosessoren. Men ved å integrere minnet og prosesseringskomponentene faller denne avstanden fra centimeter til mikrometer, noe som muliggjør en enorm forbedring i prosesseringshastigheter og energiforbruk.

Kvanteberegning. Ser vi lenger inn i fremtiden, kan en stor del av databehandling på bedriftsnivå operere under kvantefysikkens freaky lover. Men på grunn av viktigheten av denne typen databehandling, ga vi den et eget kapittel helt på slutten av denne serien.

Supermikrobrikker er ingen god forretning

Ok, så det du leser ovenfor er vel og bra – vi snakker ultraenergieffektive mikrobrikker modellert etter den menneskelige hjernen som kan kjøre med lysets hastighet – men saken er at halvlederbrikkefremstillingsindustrien ikke er det altfor ivrige etter å gjøre disse konseptene til en masseprodusert virkelighet.

Tekniske giganter, som Intel, Samsung og AMD, har allerede investert milliarder av dollar over flere tiår for å produsere tradisjonelle, silisiumbaserte mikrobrikker. Å skifte til noen av de nye konseptene nevnt ovenfor vil bety å skrote disse investeringene og bruke milliarder mer på å bygge nye fabrikker for å masseprodusere nye mikrochipmodeller som har en salgsrekord på null.

Det er ikke bare investeringene i tid og penger som holder disse halvlederselskapene tilbake. Forbrukernes etterspørsel etter stadig kraftigere mikrobrikker er også på vei ned. Tenk på det: I løpet av 90- og mesteparten av 00-tallet var det nesten gitt at du byttet inn datamaskinen eller telefonen din, om ikke hvert år, så annethvert år. Dette vil la deg holde tritt med all den nye programvaren og applikasjonene som kom ut for å gjøre hjemmet og arbeidslivet ditt enklere og bedre. I disse dager, hvor ofte oppgraderer du til den nyeste stasjonære eller bærbare modellen på markedet?

Når du tenker på smarttelefonen, har du i lommen det som ville blitt ansett som en superdatamaskin for bare 20 år siden. Bortsett fra klager på batterilevetid og minne, er de fleste telefoner kjøpt siden 2016 perfekt i stand til å kjøre alle apper eller mobilspill, streame musikkvideoer eller slem facetiming-økt med SO-en, eller det meste annet du vil gjøre på telefon. Trenger du virkelig å bruke $1,000 eller mer hvert år for å gjøre disse tingene 10-15 prosent bedre? Ville du til og med merke forskjellen?

For de fleste er svaret nei.

Fremtiden til Moores lov

Tidligere kom mesteparten av investeringsfinansieringen til halvlederteknologi fra militære forsvarsutgifter. Den ble deretter erstattet av produsenter av forbrukerelektronikk, og innen 2020-2023 vil ledende investeringer i videre utvikling av mikrobrikker skifte igjen, denne gangen fra bransjer som spesialiserer seg på følgende:

Neste generasjons innhold. Den kommende introduksjonen av holografiske, virtuelle og utvidede virkelighetsenheter for allmennheten vil anspore til en større etterspørsel etter datastrømming, spesielt ettersom disse teknologiene modnes og vokser i popularitet på slutten av 2020-tallet.
Cloud computing. Forklart i neste del av denne serien.
Autonome kjøretøy. Forklart grundig i vår Fremtiden for transport serien.
Internett av ting. Forklart i vår Tingenes Internett kapittel i vår Internetts fremtid serien.
Big data og analyse. Organisasjoner som krever regelmessig dataknusing – tenk på militæret, romutforskning, værmeldinger, legemidler, logistikk osv. – vil fortsette å kreve stadig kraftigere datamaskiner for å analysere deres stadig voksende sett med innsamlede data.

Finansiering av FoU til neste generasjons mikrobrikker vil alltid eksistere, men spørsmålet er om finansieringsnivået som trengs for mer komplekse former for mikroprosessorer kan holde tritt med vekstkravene til Moores lov. Gitt kostnadene ved å bytte til og kommersialisere nye former for mikrobrikker, kombinert med avtagende etterspørsel fra forbrukere, fremtidige kriser i statsbudsjettet og økonomiske nedgangstider, er sjansen stor for at Moores lov vil bremse eller stoppe en kort stund på begynnelsen av 2020-tallet, før den tar seg opp igjen på slutten av 2020-tallet. 2030-tallet, begynnelsen av XNUMX-tallet.

Når det gjelder hvorfor Moores lov vil ta fart igjen, vel, la oss bare si at turbodrevne mikrobrikker ikke er den eneste revolusjonen som kommer ned i databehandlingsrørledningen. Neste opp i vår Future of Computers-serie, vil vi utforske trendene som driver veksten av cloud computing.