Quantumrun

CREDIT DE IMAGINE: Quantumrun

O lege Moore care se estompează pentru a declanșa o regândire fundamentală a microcipurilor: Viitorul computerelor P4

David Tal, editor, futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Mar, 09 - 15:2020

Calculatoarele — sunt un fel de mare lucru. Dar pentru a aprecia cu adevărat tendințele emergente pe care le-am sugerat până acum în seria noastră „Viitorul computerelor”, trebuie, de asemenea, să înțelegem revoluțiile care au loc în conducta de calcul sau pur și simplu: viitorul microcipurilor.

Pentru a scoate elementele de bază din drum, trebuie să înțelegem Legea lui Moore, legea acum faimoasă fondată de Dr. Gordon E. Moore în 1965. În esență, ceea ce Moore și-a dat seama cu toate acele decenii în urmă este că numărul de tranzistori dintr-un circuit integrat se dublează. la fiecare 18 până la 24 de luni. Acesta este motivul pentru care același computer pe care îl cumpărați astăzi pentru 1,000 USD vă va costa 500 USD peste doi ani.

Timp de peste cincizeci de ani, industria semiconductoarelor a respectat linia de tendință combinată a acestei legi, deschizând calea noilor sisteme de operare, jocuri video, streaming video, aplicații mobile și orice altă tehnologie digitală care a definit cultura noastră modernă. Dar, în timp ce cererea pentru această creștere pare că va rămâne constantă încă o jumătate de secol, siliciul - materialul de bază cu care sunt construite toate microcipurile moderne - nu pare că va satisface această cerere pentru mult mai mult timp trecut de 2021 - conform ultimul raport de la Foaia de parcurs tehnologică internațională pentru semiconductori (ITRS)

Este într-adevăr fizică: industria semiconductoarelor micșorează tranzistorii la scara atomică, o scară de siliciu va fi în curând nepotrivită. Și cu cât această industrie încearcă să micșoreze siliciul dincolo de limitele sale optime, cu atât va deveni mai scumpă fiecare evoluție a microcipului.

Aici ne aflăm astăzi. În câțiva ani, siliciul nu va mai fi un material rentabil pentru a construi următoarea generație de microcipuri de ultimă generație. Această limită va forța o revoluție în electronică, forțând industria semiconductorilor (și societatea) să aleagă între câteva opțiuni:

Prima opțiune este de a încetini sau de a pune capăt dezvoltării costisitoare pentru a miniaturiza în continuare siliciul, în favoarea găsirii unor noi modalități de a proiecta microcipuri care generează mai multă putere de procesare fără miniaturizare suplimentară.
În al doilea rând, găsiți noi materiale care pot fi manipulate la o scară mult mai mică decât siliciul pentru a introduce un număr tot mai mare de tranzistori în microcipuri și mai dense.
În al treilea rând, în loc să vă concentrați pe miniaturizare sau îmbunătățiri ale consumului de energie, reorientați-vă asupra vitezei de procesare prin crearea de procesoare care sunt specializate pentru cazuri de utilizare specifice. Acest lucru ar putea însemna, în loc să aibă un cip generalist, viitoarele computere ar putea avea un grup de cipuri specializate. Exemplele includ cipurile grafice folosite pentru a îmbunătăți jocurile video introducerea Google a cipului Tensor Processing Unit (TPU) care este specializat în aplicații de învățare automată.
În cele din urmă, proiectați noi software și infrastructură cloud care să poată funcționa mai rapid și mai eficient, fără a avea nevoie de microcipuri mai dense/mai mici.

Ce opțiune va alege industria noastră tehnologică? Realist: toate.

Linia de salvare pentru Legea lui Moore

Următoarea listă este o scurtă privire asupra inovațiilor pe termen scurt și lung pe care concurenții din industria semiconductoarelor le vor folosi pentru a menține în viață Legea lui Moore. Această parte este puțin densă, dar vom încerca să o păstrăm lizibilă.

nanomaterialele. Companiile de semiconductori de top, precum Intel, au anunțat deja că o vor face picătură de siliciu odată ce ajung la scale de miniaturizare de șapte nanometri (7nm). Candidații pentru înlocuirea siliciului includ antimoniură de indiu (InSb), arseniura de indiu galiu (InGaAs) și siliciu-germaniu (SiGe), dar materialul care primește cel mai mult entuziasm pare să fie nanotuburi de carbon. Fabricate din grafit - însuși o stivă compozită din materialul minune, grafen -, nanotuburile de carbon pot fi făcute cu atomi groși, sunt extrem de conductoare și se estimează că vor face viitoarele microcipuri de până la cinci ori mai rapide până în 2020.

Calcul optic. Una dintre cele mai mari provocări în ceea ce privește proiectarea cipurilor este asigurarea faptului că electronii nu trec de la un tranzistor la altul - o considerație care devine infinit mai dificilă odată ce intri la nivelul atomic. Tehnologia în curs de dezvoltare a calculelor optice încearcă să înlocuiască electronii cu fotoni, prin care lumina (nu electricitatea) este transmisă de la tranzistor la tranzistor. în 2017, cercetătorii au făcut un pas uriaș spre acest obiectiv, demonstrând capacitatea de a stoca informații bazate pe lumină (fotoni) ca unde sonore pe un cip de computer. Folosind această abordare, microcipurile ar putea funcționa aproape de viteza luminii până în 2025.

spintronică. De-a lungul a două decenii de dezvoltare, tranzistoarele spintronice încearcă să folosească „spinul” unui electron în locul încărcării sale pentru a reprezenta informația. Deși este încă departe de comercializare, dacă va fi rezolvată, această formă de tranzistor va avea nevoie doar de 10-20 de milivolți pentru a funcționa, de sute de ori mai mici decât tranzistoarele convenționale; acest lucru ar elimina, de asemenea, problemele de supraîncălzire cu care se confruntă companiile de semiconductori atunci când produc cipuri din ce în ce mai mici.

Calcul neuromorf și memristori. O altă abordare nouă pentru rezolvarea acestei crize de procesare care se profilează se află în creierul uman. Cercetătorii de la IBM și DARPA, în special, conduc dezvoltarea unui nou tip de microcip - un cip ale cărui circuite integrate sunt concepute pentru a imita abordarea mai descentralizată și neliniară a creierului în calcul. (Verifica asta articol ScienceBlogs pentru a înțelege mai bine diferențele dintre creierul uman și computere.) Rezultatele timpurii indică faptul că cipurile care imită creierul nu numai că sunt semnificativ mai eficiente, dar funcționează folosind o putere incredibil de mai mică decât microcipurile actuale.

Folosind aceeași abordare de modelare a creierului, tranzistorul însuși, proverbialul bloc de construcție al microcipului computerului tău, poate fi înlocuit în curând de memristor. Începând cu era „ionică”, un memristor oferă o serie de avantaje interesante față de tranzistorul tradițional:

În primul rând, memristorii își pot aminti fluxul de electroni care trece prin ei – chiar dacă alimentarea este întreruptă. Tradus, asta înseamnă că într-o zi ai putea porni computerul la aceeași viteză ca și becul.
Tranzistoarele sunt binare, fie 1s, fie 0s. Între timp, memristorii pot avea o varietate de stări între acele extreme, cum ar fi 0.25, 0.5, 0.747 etc. Acest lucru face ca memristorii să funcționeze similar cu sinapsele din creierul nostru și asta este o mare problemă, deoarece ar putea deschide o gamă de calcule viitoare. posibilităților.
În continuare, memristorii nu au nevoie de siliciu pentru a funcționa, deschizând calea pentru industria semiconductoarelor de a experimenta folosirea de noi materiale pentru a miniaturiza în continuare microcipurile (după cum sa subliniat mai devreme).
În cele din urmă, similar cu descoperirile făcute de IBM și DARPA în calculul neuromorfic, microcipurile bazate pe memristori sunt mai rapide, folosesc mai puțină energie și ar putea deține o densitate de informații mai mare decât cipurile de pe piață.

cipuri 3D. Microcipurile tradiționale și tranzistoarele care le alimentează funcționează pe un plan plat, bidimensional, dar la începutul anilor 2010, companiile de semiconductori au început să experimenteze adăugarea unei a treia dimensiuni la cipurile lor. Numiți „finFET”, acești noi tranzistori au un canal care iese din suprafața cipului, oferindu-le un control mai bun asupra a ceea ce are loc în canalele lor, permițându-le să ruleze cu aproape 40% mai rapid și să funcționeze folosind jumătate din energie. Dezavantajul, însă, este că aceste cipuri sunt semnificativ mai dificil (costisitoare) de produs în acest moment.

Dar dincolo de reproiectarea tranzistoarelor individuale, viitor cipuri 3D de asemenea, urmărește să combine calculul și stocarea datelor în straturi stivuite vertical. În prezent, computerele tradiționale își adăpostesc stick-urile de memorie la centimetri de procesorul său. Dar prin integrarea memoriei și a componentelor de procesare, această distanță scade de la centimetri la micrometri, permițând o îmbunătățire uriașă a vitezei de procesare și a consumului de energie.

Calcularea cuantică. Privind mai departe în viitor, o mare parte a calculatoarelor la nivel de întreprindere ar putea funcționa în conformitate cu legile ciudate ale fizicii cuantice. Cu toate acestea, datorită importanței acestui tip de calcul, i-am oferit propriul capitol chiar la sfârșitul acestei serii.

Super microcipurile nu sunt afaceri bune

Bine, deci ceea ce ai citit mai sus este bine și bine – vorbim de microcipuri ultra-eficiente din punct de vedere energetic, modelate după creierul uman, care poate rula cu viteza luminii – dar chestia este că industria de fabricare a cipurilor semiconductoare nu este. exagerat de dornic să transforme aceste concepte într-o realitate produsă în masă.

Giganții tehnologici, precum Intel, Samsung și AMD, au investit deja miliarde de dolari de-a lungul deceniilor pentru a produce microcipuri tradiționale, pe bază de siliciu. Trecerea la oricare dintre conceptele noi menționate mai sus ar însemna abandonarea acestor investiții și cheltuirea de miliarde mai mult pentru construirea de noi fabrici pentru a produce în serie noi modele de microcipuri care au un palmares de vânzări de zero.

Nu este doar investiția de timp și bani care ține înapoi aceste companii de semiconductori. Cererea consumatorilor pentru microcipuri din ce în ce mai puternice este, de asemenea, în scădere. Gândiți-vă bine: în anii 90 și în cea mai mare parte a anilor 00, era aproape de la sine înțeles că vă schimbați computerul sau telefonul, dacă nu în fiecare an, apoi o dată la doi ani. Acest lucru v-ar permite să țineți pasul cu noile software și aplicații care au apărut pentru a vă face viața acasă și la muncă mai ușoară și mai bună. În zilele noastre, cât de des faceți upgrade la cel mai recent model de desktop sau laptop de pe piață?

Când te gândești la smartphone-ul tău, ai în buzunar ceea ce ar fi fost considerat un supercomputer cu doar 20 de ani în urmă. În afară de plângerile legate de durata de viață a bateriei și de memorie, majoritatea telefoanelor cumpărate din 2016 sunt perfect capabile să ruleze orice aplicație sau joc mobil, să transmită în flux orice videoclip muzical sau sesiune de facetiming obraznică cu SO, sau mai mult orice altceva pe care ai dori să faci pe dvs. telefon. Chiar trebuie să cheltuiți 1,000 USD sau mai mult în fiecare an pentru a face aceste lucruri cu 10-15% mai bine? Ai observa măcar diferența?

Pentru majoritatea oamenilor, răspunsul este nu.

Viitorul legii lui Moore

În trecut, cea mai mare parte a finanțării investițiilor în tehnologia semiconductoarelor provenea din cheltuielile militare de apărare. Apoi a fost înlocuit de producători de electronice de larg consum, iar până în 2020-2023, investițiile conducătoare în dezvoltarea ulterioară a microcipurilor se vor schimba din nou, de data aceasta din industriile specializate în următoarele:

Conținut de nouă generație. Introducerea viitoare a dispozitivelor holografice, virtuale și de realitate augmentată pentru publicul larg va stimula o cerere mai mare pentru streaming de date, mai ales pe măsură ce aceste tehnologii se maturizează și cresc în popularitate la sfârșitul anilor 2020.
Cloud computing. Explicat în următoarea parte a acestei serii.
Vehicule autonome. Explicat amănunțit în documentul nostru Viitorul transporturilor serie.
Internetul Lucrurilor. Explicat în nostru internetul Lucrurilor capitolul nostru Viitorul Internetului serie.
Big data și analiză. Organizațiile care au nevoie de o analiză regulată a datelor – gândiți-vă la armata, explorarea spațiului, prognoza meteo, produsele farmaceutice, logistica etc. – vor continua să solicite computere din ce în ce mai puternice pentru a analiza seturile lor în continuă extindere de date colectate.

Finanțarea pentru cercetare și dezvoltare în microcipuri de generație următoare va exista întotdeauna, dar întrebarea este dacă nivelul de finanțare necesar pentru forme mai complexe de microprocesoare poate ține pasul cu cerințele de creștere ale Legii lui Moore. Având în vedere costul trecerii la și comercializarea noilor forme de microcipuri, împreună cu încetinirea cererii consumatorilor, viitoarele crize bugetare guvernamentale și recesiunile economice, sunt șanse ca Legea lui Moore să încetinească sau să se oprească pentru scurt timp la începutul anilor 2020, înainte de a reveni la sfârșitul anilor 2020. Anii 2030, începutul anilor XNUMX.

În ceea ce privește motivul pentru care Legea lui Moore va crește din nou viteză, ei bine, să spunem doar că microcipurile turbo nu sunt singura revoluție care vine pe calea calculului. În continuare, în seria noastră Future of Computers, vom explora tendințele care alimentează creșterea cloud computingului.