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Uma Lei de Moore em desvanecimento para desencadear uma repensação fundamental dos microchips: Futuro dos Computadores P4

David Tal, editor, futurista
@DavidTalWrites
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Ter, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Computadores – eles são um grande negócio. Mas para realmente apreciar as tendências emergentes que sugerimos até agora em nossa série O Futuro dos Computadores, também precisamos entender as revoluções que correm pelo pipeline computacional, ou simplesmente: o futuro dos microchips.

Para tirar o básico do caminho, temos que entender a Lei de Moore, a agora famosa lei que o Dr. Gordon E. Moore fundou em 1965. Essencialmente, o que Moore percebeu todas aquelas décadas atrás é que o número de transistores em um circuito integrado dobra cada 18 a 24 meses. É por isso que o mesmo computador que você compra hoje por US$ 1,000 custará US$ 500 daqui a dois anos.

Por mais de cinqüenta anos, a indústria de semicondutores tem correspondido à tendência de composição desta lei, abrindo caminho para os novos sistemas operacionais, videogames, streaming de vídeo, aplicativos móveis e todas as outras tecnologias digitais que definiram nossa cultura moderna. Mas enquanto a demanda por esse crescimento parece que permanecerá estável por mais meio século, o silício - o material de base com o qual todos os microchips modernos são construídos - não parece atender a essa demanda por muito mais tempo após 2021 - de acordo com o último relatório do Roteiro Internacional de Tecnologia para Semicondutores (ITRS)

É física mesmo: a indústria de semicondutores está encolhendo os transistores para a escala atômica, uma escala para a qual o silício logo será inadequado. E quanto mais essa indústria tentar reduzir o silício além de seus limites ideais, mais cara cada evolução de microchip se tornará.

É aqui que estamos hoje. Em alguns anos, o silício não será mais um material econômico para construir a próxima geração de microchips de última geração. Esse limite forçará uma revolução na eletrônica, forçando a indústria de semicondutores (e a sociedade) a escolher entre algumas opções:

A primeira opção é retardar ou encerrar o desenvolvimento caro para miniaturizar ainda mais o silício, em favor de encontrar novas maneiras de projetar microchips que gerem mais poder de processamento sem miniaturização adicional.
Em segundo lugar, encontre novos materiais que possam ser manipulados em escalas muito menores do que o silício para colocar um número cada vez maior de transistores em microchips ainda mais densos.
Terceiro, em vez de focar na miniaturização ou melhorias no uso de energia, foque novamente na velocidade de processamento através da criação de processadores especializados para casos de uso específicos. Isso pode significar que, em vez de ter um chip generalista, os futuros computadores podem ter um cluster de chips especializados. Os exemplos incluem chips gráficos usados para melhorar os videogames para introdução do Google do chip Tensor Processing Unit (TPU) especializado em aplicativos de aprendizado de máquina.
Por fim, projete novos softwares e infraestrutura de nuvem que possam operar com mais rapidez e eficiência sem a necessidade de microchips mais densos/menores.

Qual opção nossa indústria de tecnologia escolherá? Realisticamente: todos eles.

A salvação para a Lei de Moore

A lista a seguir é um breve vislumbre das inovações de curto e longo prazo que os concorrentes da indústria de semicondutores usarão para manter a Lei de Moore viva. Esta parte é um pouco densa, mas tentaremos mantê-la legível.

Nanomateriais. As principais empresas de semicondutores, como a Intel, já anunciaram que vão gota de silicone uma vez que atingem escalas de miniaturização de sete nanômetros (7nm). Os candidatos para substituir o silício incluem antimonito de índio (InSb), arseneto de índio e gálio (InGaAs) e silício-germânio (SiGe), mas o material que está recebendo mais entusiasmo parece ser os nanotubos de carbono. Feitos de grafite – uma pilha composta do material maravilhoso, o grafeno – os nanotubos de carbono podem ter átomos de espessura, são extremamente condutores e estima-se que os futuros microchips sejam cinco vezes mais rápidos até 2020.

Computação óptica. Um dos maiores desafios no projeto de chips é garantir que os elétrons não saltem de um transistor para outro – uma consideração que fica infinitamente mais difícil quando você entra no nível atômico. A tecnologia emergente da computação óptica procura substituir elétrons por fótons, por meio dos quais a luz (não a eletricidade) passa de transistor para transistor. Em 2017, os pesquisadores deram um passo gigantesco em direção a esse objetivo, demonstrando a capacidade de armazenar informações baseadas em luz (fótons) como ondas sonoras em um chip de computador. Usando essa abordagem, os microchips poderiam operar perto da velocidade da luz até 2025.

Spintrônica. Mais de duas décadas em desenvolvimento, os transistores spintrônicos tentam usar o 'spin' de um elétron em vez de sua carga para representar informações. Embora ainda longe da comercialização, se for resolvido, essa forma de transistor precisará apenas de 10 a 20 milivolts para operar, centenas de vezes menores que os transistores convencionais; isso também eliminaria os problemas de superaquecimento que as empresas de semicondutores enfrentam ao produzir chips cada vez menores.

Computação neuromórfica e memristores. Outra nova abordagem para resolver essa iminente crise de processamento está no cérebro humano. Pesquisadores da IBM e DARPA, em particular, estão liderando o desenvolvimento de um novo tipo de microchip – um chip cujos circuitos integrados são projetados para imitar a abordagem mais descentralizada e não linear do cérebro à computação. (Veja isso Artigo do ScienceBlogs para entender melhor as diferenças entre o cérebro humano e os computadores.) Os primeiros resultados indicam que os chips que imitam o cérebro não são apenas significativamente mais eficientes, mas operam usando uma potência inacreditavelmente menor do que os microchips atuais.

Usando essa mesma abordagem de modelagem cerebral, o próprio transistor, o proverbial bloco de construção do microchip do seu computador, poderá em breve ser substituído pelo memristor. Inaugurando a era “iônica”, um memristor oferece uma série de vantagens interessantes sobre o transistor tradicional:

Primeiro, os memristores podem se lembrar do fluxo de elétrons passando por eles - mesmo se a energia for cortada. Traduzido, isso significa que um dia você poderá ligar seu computador na mesma velocidade que sua lâmpada.
Os transistores são binários, 1s ou 0s. Enquanto isso, os memristores podem ter uma variedade de estados entre esses extremos, como 0.25, 0.5, 0.747, etc. possibilidades.
Em seguida, os memristores não precisam de silício para funcionar, abrindo caminho para a indústria de semicondutores experimentar o uso de novos materiais para miniaturizar ainda mais os microchips (como descrito anteriormente).
Finalmente, semelhante às descobertas feitas pela IBM e DARPA em computação neuromórfica, os microchips baseados em memristores são mais rápidos, usam menos energia e podem conter uma densidade de informação maior do que os chips atualmente no mercado.

fichas 3D. Os microchips tradicionais e os transistores que os alimentam operam em um plano bidimensional, mas no início dos anos 2010, as empresas de semicondutores começaram a experimentar adicionar uma terceira dimensão aos seus chips. Chamados de 'finFET', esses novos transistores têm um canal que se destaca da superfície do chip, dando a eles melhor controle sobre o que acontece em seus canais, permitindo que funcionem quase 40% mais rápido e operem usando metade da energia. A desvantagem, no entanto, é que esses chips são significativamente mais difíceis (caros) de produzir no momento.

Mas além de redesenhar os transistores individuais, o futuro fichas 3D também visam combinar computação e armazenamento de dados em camadas empilhadas verticalmente. Atualmente, os computadores tradicionais abrigam seus memory sticks a centímetros de seu processador. Mas ao integrar os componentes de memória e processamento, essa distância cai de centímetros para micrômetros, permitindo uma melhoria gigantesca nas velocidades de processamento e no consumo de energia.

Computação quântica. Olhando mais para o futuro, uma grande parte da computação de nível empresarial poderia operar sob as leis bizarras da física quântica. No entanto, devido à importância desse tipo de computação, demos a ele seu próprio capítulo no final desta série.

Super microchips não são bons negócios

Ok, então o que você leu acima é muito bom - estamos falando de microchips ultra eficientes em termos de energia modelados após o cérebro humano que pode funcionar na velocidade da luz - mas o fato é que a indústria de fabricação de chips semicondutores não é ansiosos demais para transformar esses conceitos em uma realidade produzida em massa.

Gigantes da tecnologia, como Intel, Samsung e AMD, já investiram bilhões de dólares ao longo de décadas para produzir microchips tradicionais baseados em silício. Mudar para qualquer um dos novos conceitos mencionados acima significaria descartar esses investimentos e gastar bilhões a mais na construção de novas fábricas para produzir em massa novos modelos de microchips com histórico de vendas zero.

Não é apenas o investimento de tempo e dinheiro que está impedindo essas empresas de semicondutores. A demanda do consumidor por microchips cada vez mais poderosos também está em declínio. Pense nisso: durante os anos 90 e a maior parte dos anos 00, era quase certo que você trocaria seu computador ou telefone, se não todos os anos, então a cada dois anos. Isso permitiria que você acompanhasse todos os novos softwares e aplicativos que estavam sendo lançados para tornar sua vida doméstica e profissional mais fácil e melhor. Atualmente, com que frequência você atualiza para o modelo de desktop ou laptop mais recente do mercado?

Quando você pensa em seu smartphone, você tem no bolso o que seria considerado um supercomputador há apenas 20 anos. Além das reclamações sobre a duração da bateria e memória, a maioria dos telefones comprados desde 2016 é perfeitamente capaz de executar qualquer aplicativo ou jogo para celular, transmitir qualquer videoclipe ou sessão de facetiming impertinente com seu SO, ou qualquer outra coisa que você queira fazer em seu computador. telefone. Você realmente precisa gastar US$ 1,000 ou mais todos os anos para fazer essas coisas 10 a 15% melhor? Você notaria mesmo a diferença?

Para a maioria das pessoas, a resposta é não.

O futuro da Lei de Moore

No passado, a maior parte do investimento em tecnologia de semicondutores vinha de gastos com defesa militar. Em seguida, foi substituído por fabricantes de eletrônicos de consumo e, em 2020-2023, os principais investimentos em desenvolvimento de microchips adicionais mudarão novamente, desta vez de indústrias especializadas no seguinte:

Conteúdo de última geração. A próxima introdução de dispositivos de realidade holográfica, virtual e aumentada para o público em geral estimulará uma demanda maior por streaming de dados, especialmente à medida que essas tecnologias amadurecem e crescem em popularidade no final da década de 2020.
Cloud computing. Explicado na próxima parte desta série.
Veículos autônomos. Explicado detalhadamente em nosso Futuro do Transporte série.
Internet das Coisas. Explicado em nosso Internet das Coisas capítulo em nosso Futuro da Internet série.
Big data e análises. As organizações que exigem processamento regular de dados – como militares, exploração espacial, meteorologistas, produtos farmacêuticos, logística etc. – continuarão a exigir computadores cada vez mais poderosos para analisar seus conjuntos cada vez maiores de dados coletados.

O financiamento para P&D em microchips de próxima geração sempre existirá, mas a questão é se o nível de financiamento necessário para formas mais complexas de microprocessadores pode acompanhar as demandas de crescimento da Lei de Moore. Dado o custo de mudar e comercializar novas formas de microchips, juntamente com a desaceleração da demanda do consumidor, futuras crises orçamentárias do governo e recessões econômicas, é provável que a Lei de Moore diminua ou pare brevemente no início da década de 2020, antes de retomar no final 2020, início de 2030.

Quanto ao motivo pelo qual a Lei de Moore ganhará velocidade novamente, bem, vamos apenas dizer que os microchips turboalimentados não são a única revolução que está chegando ao pipeline de computação. A seguir, em nossa série O Futuro dos Computadores, exploraremos as tendências que impulsionam o crescimento da computação em nuvem.