Квантумран

ИЗОБРАЖЕНИЕ КРЕДИТ: Квантумран

Исчезающий закон Мура вызовет фундаментальное переосмысление микрочипов: Future of Computers P4

Дэвид Тал, издатель, футурист
@DavidTalWrites
LinkedIn

Вт, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Компьютеры — это большое дело. Но чтобы по-настоящему оценить возникающие тенденции, на которые мы уже намекали в нашей серии «Будущее компьютеров», нам также необходимо понять революции, происходящие в вычислительном конвейере, или просто: будущее микрочипов.

Чтобы понять основы, мы должны понять закон Мура, ныне известный закон, основанный доктором Гордоном Э. Муром в 1965 году. По сути, все эти десятилетия назад Мур понял, что количество транзисторов в интегральной схеме удваивается. каждые 18-24 мес. Вот почему тот же компьютер, который вы покупаете сегодня за 1,000 долларов, через два года будет стоить вам 500 долларов.

На протяжении более пятидесяти лет полупроводниковая промышленность соответствовала линии тренда этого закона, прокладывая путь к новым операционным системам, видеоиграм, потоковому видео, мобильным приложениям и любым другим цифровым технологиям, которые определяют нашу современную культуру. Но в то время как спрос на этот рост выглядит так, как будто он останется стабильным еще полвека, кремний — основной материал, из которого построены все современные микрочипы — не похоже, что он будет удовлетворять этот спрос гораздо дольше, чем 2021 год — согласно данным исследования. последний отчет с Международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRS)

На самом деле это физика: полупроводниковая промышленность сжимает транзисторы до атомного масштаба, для которого кремний скоро будет непригоден. И чем больше эта отрасль будет пытаться сократить кремний до оптимальных пределов, тем дороже будет становиться каждая эволюция микрочипа.

Вот где мы находимся сегодня. Через несколько лет кремний перестанет быть рентабельным материалом для создания передовых микрочипов следующего поколения. Этот предел вызовет революцию в электронике, заставив полупроводниковую промышленность (и общество) выбирать между несколькими вариантами:

Первый вариант — замедлить или прекратить дорогостоящую разработку для дальнейшей миниатюризации кремния в пользу поиска новых способов разработки микрочипов, которые обеспечивают большую вычислительную мощность без дополнительной миниатюризации.
Во-вторых, найти новые материалы, которыми можно манипулировать в гораздо меньших масштабах, чем кремний, чтобы впихнуть еще большее количество транзисторов в еще более плотные микрочипы.
В-третьих, вместо того, чтобы сосредотачиваться на миниатюризации или улучшении энергопотребления, переориентируйтесь на скорость обработки за счет создания процессоров, специализированных для конкретных случаев использования. Это может означать, что вместо одного универсального чипа будущие компьютеры могут иметь кластер специализированных чипов. Примеры включают графические чипы, используемые для улучшения видеоигр. Введение Google чипа Tensor Processing Unit (TPU), который специализируется на приложениях машинного обучения.
Наконец, разработайте новое программное обеспечение и облачную инфраструктуру, которые смогут работать быстрее и эффективнее, не требуя более плотных/меньших по размеру микрочипов.

Какой вариант выберет наша технологическая индустрия? Реально: все.

Спасательный круг для закона Мура

Следующий список представляет собой краткий обзор краткосрочных и долгосрочных инноваций, которые конкуренты в полупроводниковой промышленности будут использовать для сохранения закона Мура. Эта часть немного запутана, но мы постараемся сделать ее читабельной.

Наноматериалы. Ведущие полупроводниковые компании, такие как Intel, уже объявили, что будут капля кремния как только они достигнут масштабов миниатюризации в семь нанометров (7 нм). Кандидаты на замену кремния включают в себя антимонид индия (InSb), арсенид индия-галлия (InGaAs) и кремний-германий (SiGe), но наибольший интерес вызывают углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки, сделанные из графита, который сам по себе представляет собой композитный пакет удивительного материала, графена, могут быть толщиной в атомы, обладают чрезвычайно высокой проводимостью и, по оценкам, к 2020 году сделают будущие микрочипы в пять раз быстрее.

Оптические вычисления. Одна из самых больших проблем при разработке чипов заключается в обеспечении того, чтобы электроны не перескакивали с одного транзистора на другой — соображение, которое становится бесконечно сложнее, когда вы переходите на атомный уровень. Развивающаяся технология оптических вычислений стремится заменить электроны фотонами, в результате чего свет (а не электричество) передается от транзистора к транзистору. В 2017 , исследователи сделали гигантский шаг к этой цели, продемонстрировав способность хранить световую информацию (фотоны) в виде звуковых волн на компьютерном чипе. Используя этот подход, к 2025 году микрочипы смогут работать со скоростью, близкой к скорости света.

Спинтроника. За два десятилетия разработки транзисторы спинтроники пытаются использовать «спин» электрона вместо его заряда для представления информации. Хотя до коммерциализации еще далеко, в случае решения этой формы транзистора для работы потребуется всего 10-20 милливольт, что в сотни раз меньше, чем у обычных транзисторов; это также устранило бы проблемы перегрева, с которыми сталкиваются производители полупроводников при производстве чипов все меньшего размера.

Нейроморфные вычисления и мемристоры. Еще один новый подход к решению этого надвигающегося кризиса обработки информации связан с человеческим мозгом. Исследователи из IBM и DARPA, в частности, возглавляют разработку микрочипа нового типа — микросхемы, чьи интегральные схемы предназначены для имитации более децентрализованного и нелинейного подхода мозга к вычислениям. (Проверьте это Статья в научных блогах Чтобы лучше понять различия между человеческим мозгом и компьютерами.) Первые результаты показывают, что микросхемы, имитирующие мозг, не только значительно более эффективны, но и работают с невероятно меньшим энергопотреблением, чем современные микрочипы.

Используя тот же подход к моделированию мозга, сам транзистор, пресловутый строительный блок микрочипа вашего компьютера, вскоре может быть заменен мемристором. Открывая эру «ионики», мемристор предлагает ряд интересных преимуществ по сравнению с традиционным транзистором:

Во-первых, мемристоры могут запоминать поток электронов, проходящий через них, даже при отключении питания. В переводе это означает, что однажды вы сможете включать свой компьютер с той же скоростью, что и лампочка.
Транзисторы двоичные, либо 1, либо 0. Мемристоры, тем временем, могут иметь различные состояния между этими крайностями, например, 0.25, 0.5, 0.747 и т. д. Это заставляет мемристоры работать аналогично синапсам в нашем мозгу, и это очень важно, поскольку это может открыть ряд будущих вычислений. возможности.
Во-вторых, для работы мемристоров не требуется кремний, что открывает перед полупроводниковой промышленностью возможность экспериментировать с использованием новых материалов для дальнейшей миниатюризации микрочипов (как указывалось ранее).
Наконец, аналогично выводам, сделанным IBM и DARPA в области нейроморфных вычислений, микрочипы на основе мемристоров быстрее, потребляют меньше энергии и могут хранить более высокую плотность информации, чем чипы, представленные в настоящее время на рынке.

3D фишки. Традиционные микросхемы и транзисторы, которые их питают, работают на плоской двухмерной плоскости, но в начале 2010-х годов полупроводниковые компании начали экспериментировать с добавлением в свои микросхемы третьего измерения. Эти новые транзисторы, получившие название finFET, имеют канал, выступающий над поверхностью чипа, что дает им лучший контроль над тем, что происходит в их каналах, позволяя им работать почти на 40 процентов быстрее и работать, используя вдвое меньше энергии. Недостатком, однако, является то, что эти чипы в настоящее время значительно сложнее (дорого) производить.

Но помимо перепроектирования отдельных транзисторов будущее 3D фишки также стремитесь объединить вычисления и хранение данных в вертикально расположенных слоях. Прямо сейчас традиционные компьютеры размещают свои карты памяти в нескольких сантиметрах от своего процессора. Но за счет интеграции компонентов памяти и процессора это расстояние сокращается с сантиметров до микрометров, что позволяет значительно повысить скорость обработки и энергопотребление.

Квантовые вычисления. Заглядывая в будущее, большая часть вычислений на уровне предприятия может работать по причудливым законам квантовой физики. Однако из-за важности такого рода вычислений мы посвятили ему отдельную главу в самом конце этой серии.

Супермикрочипы — не лучший бизнес

Итак, то, что вы прочитали выше, все хорошо — мы говорим об ультра-энергоэффективных микрочипах, смоделированных по образцу человеческого мозга, которые могут работать со скоростью света — но дело в том, что индустрия производства полупроводниковых микросхем не чрезмерно стремится превратить эти концепции в серийную реальность.

Технологические гиганты, такие как Intel, Samsung и AMD, уже десятилетиями инвестировали миллиарды долларов в производство традиционных микрочипов на основе кремния. Переход к любой из упомянутых выше новаторских концепций будет означать отказ от этих инвестиций и дополнительные миллиарды на строительство новых заводов для массового производства новых моделей микрочипов, продажи которых равны нулю.

Эти полупроводниковые компании сдерживают не только инвестиции времени и денег. Потребительский спрос на все более мощные микрочипы также снижается. Подумайте об этом: в 90-е и большую часть 00-х было почти само собой разумеющимся, что вы будете торговать своим компьютером или телефоном если не каждый год, то раз в два года. Это позволит вам быть в курсе всех новых программ и приложений, которые выходили, чтобы сделать вашу домашнюю и рабочую жизнь проще и лучше. В наши дни как часто вы обновляетесь до последней модели настольного компьютера или ноутбука, представленной на рынке?

Когда вы думаете о своем смартфоне, у вас в кармане то, что еще 20 лет назад считалось бы суперкомпьютером. Помимо жалоб на время автономной работы и память, большинство телефонов, купленных с 2016 года, вполне способны запускать любое приложение или мобильную игру, транслировать любое музыкальное видео или развратные сеансы FaceTime с вашим SO или почти все, что вы хотели бы делать на своем устройстве. Телефон. Вам действительно нужно тратить 1,000 долларов или больше каждый год, чтобы делать эти вещи на 10-15 процентов лучше? Вы бы хоть заметили разницу?

Для большинства людей ответ - нет.

Будущее закона Мура

В прошлом большая часть инвестиций в полупроводниковые технологии поступала из расходов на оборону. Затем его сменили производители бытовой электроники, а к 2020–2023 гг. основные инвестиции в дальнейшее развитие микрочипов снова сместятся, на этот раз из отраслей, специализирующихся на следующем:

Контент нового поколения. Предстоящее внедрение устройств голографической, виртуальной и дополненной реальности для широкой публики будет стимулировать рост спроса на потоковую передачу данных, особенно по мере развития и роста популярности этих технологий в конце 2020-х годов.
Облачные вычисления. Объясняется в следующей части этой серии.
Автономные транспортные средства. Подробно объяснили в нашей Будущее транспорта серии.
Интернет вещей. Объясняется в нашем Интернет вещей глава в нашей Будущее Интернета серии.
Большие данные и аналитика. Организации, которым требуется регулярная обработка данных — например, военные, космонавты, синоптики, фармацевтика, логистика и т. д. — будут и впредь нуждаться во все более мощных компьютерах для анализа своих постоянно расширяющихся наборов собираемых данных.

Финансирование исследований и разработок микрочипов следующего поколения будет существовать всегда, но вопрос заключается в том, сможет ли уровень финансирования, необходимый для более сложных форм микропроцессоров, соответствовать требованиям закона Мура. Учитывая стоимость перехода на новые формы микрочипов и их коммерциализацию в сочетании с замедлением потребительского спроса, будущими сокращениями государственного бюджета и экономическими рецессиями, есть вероятность, что закон Мура замедлится или ненадолго остановится в начале 2020-х годов, прежде чем возобновится к концу 2020-х годов. 2030-е, начало XNUMX-х.

Что касается того, почему закон Мура снова наберет скорость, скажем так, микрочипы с турбонаддувом — не единственная революция, происходящая в вычислительном конвейере. Далее в нашей серии «Будущее компьютеров» мы рассмотрим тенденции, способствующие росту облачных вычислений.