Quantumrun

OBRÁZOK PRE OBRÁZOK: Quantumrun

Miznúci Mooreov zákon, ktorý podnietil zásadné prehodnotenie mikročipov: Budúcnosť počítačov P4

David Tal, vydavateľ, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Ut, 09 - 15:2020

Počítače – sú niečo veľké. Aby sme však skutočne ocenili vznikajúce trendy, ktoré sme doteraz naznačili v našej sérii Future of Computers, musíme tiež pochopiť revolúcie, ktoré sa rútia výpočtovým potrubím, alebo jednoducho: budúcnosť mikročipov.

Aby sme dostali základy z cesty, musíme pochopiť Moorov zákon, dnes známy zákon, ktorý Dr. Gordon E. Moore založil v roku 1965. Moore si v podstate uvedomil pred všetkými tými desaťročiami, že počet tranzistorov v integrovanom obvode sa zdvojnásobí. každých 18 až 24 mesiacov. To je dôvod, prečo ten istý počítač, ktorý si dnes kúpite za 1,000 500 dolárov, vás o dva roky bude stáť XNUMX dolárov.

Už viac ako päťdesiat rokov sa polovodičový priemysel drží trendovej línie tohto zákona a pripravuje pôdu pre nové operačné systémy, videohry, streamované video, mobilné aplikácie a všetky ostatné digitálne technológie, ktoré definovali našu modernú kultúru. Ale zatiaľ čo sa zdá, že dopyt po tomto raste zostane stabilný ešte ďalšie polstoročie, kremík – základný materiál, z ktorého sú vyrobené všetky moderné mikročipy – nezdá sa, že by uspokojil tento dopyt po oveľa dlhšom období po roku 2021 – podľa posledná správa z Medzinárodný technologický plán pre polovodiče (ITRS)

Je to naozaj fyzika: polovodičový priemysel zmenšuje tranzistory na atómovú úroveň, kremík na mierku bude čoskoro nevhodný. A čím viac sa toto odvetvie snaží zmenšiť kremík za jeho optimálne limity, tým drahšia bude každá evolúcia mikročipu.

Toto je miesto, kde sme dnes. O niekoľko rokov už kremík nebude nákladovo efektívnym materiálom na vytvorenie novej generácie špičkových mikročipov. Tento limit si vynúti revolúciu v elektronike tým, že prinúti polovodičový priemysel (a spoločnosť) vybrať si z niekoľkých možností:

Prvou možnosťou je spomaliť alebo ukončiť nákladný vývoj ďalšej miniaturizácie kremíka v prospech hľadania nových spôsobov navrhovania mikročipov, ktoré generujú väčší výpočtový výkon bez ďalšej miniaturizácie.
Po druhé, nájdite nové materiály, s ktorými sa dá manipulovať v oveľa menších mierkach ako kremík, aby ste mohli vložiť stále väčšie množstvo tranzistorov do ešte hustejších mikročipov.
Po tretie, namiesto zamerania sa na miniaturizáciu alebo vylepšenia spotreby energie sa zamerajte na rýchlosť spracovania vytváraním procesorov, ktoré sú špecializované na konkrétne prípady použitia. To by mohlo znamenať, že namiesto jedného všeobecného čipu môžu mať budúce počítače zhluk špeciálnych čipov. Príklady zahŕňajú grafické čipy používané na zlepšenie videohier Úvod spoločnosti Google čipu Tensor Processing Unit (TPU), ktorý sa špecializuje na aplikácie strojového učenia.
Nakoniec navrhnite nový softvér a cloudovú infraštruktúru, ktorá bude fungovať rýchlejšie a efektívnejšie bez potreby hustejších/menších mikročipov.

Ktorú možnosť si vyberie náš technologický priemysel? Reálne: všetky.

Záchranné lano pre Mooreov zákon

Nasledujúci zoznam je krátkym pohľadom na krátkodobé a dlhodobé inovácie, ktoré konkurenti v polovodičovom priemysle použijú na udržanie Moorovho zákona pri živote. Táto časť je trochu hutná, ale pokúsime sa, aby bola čitateľná.

nanomateriály. Popredné polovodičové spoločnosti, ako napríklad Intel, už oznámili, že tak urobia kvapka kremík akonáhle dosiahnu miniaturizačné stupnice sedem nanometrov (7nm). Kandidáti na nahradenie kremíka zahŕňajú antimonid india (InSb), arzenid india a gália (InGaAs) a kremík-germánium (SiGe), ale zdá sa, že materiálom, ktorý je najviac vzrušený, sú uhlíkové nanorúrky. Uhlíkové nanorúrky vyrobené z grafitu – samotného zloženého zväzku zázračného materiálu, grafénu – môžu mať hrúbku atómov, sú extrémne vodivé a odhaduje sa, že budúce mikročipy budú do roku 2020 až päťkrát rýchlejšie.

Optické výpočty. Jednou z najväčších výziev pri navrhovaní čipov je zabezpečiť, aby elektróny nepreskakovali z jedného tranzistora na druhý – čo je nekonečne ťažšie, keď vstúpite na atómovú úroveň. Vznikajúca technológia optických výpočtov sa snaží nahradiť elektróny fotónmi, pričom svetlo (nie elektrina) prechádza z tranzistora na tranzistor. v 2017, výskumníci urobili obrovský krok k tomuto cieľu tým, že preukázali schopnosť ukladať informácie založené na svetle (fotóny) ako zvukové vlny na počítačovom čipe. Pomocou tohto prístupu by mikročipy mohli do roku 2025 fungovať blízko rýchlosti svetla.

Spintronika. Počas dvoch desaťročí vývoja sa spintronické tranzistory pokúšajú na reprezentáciu informácie použiť „točenie“ elektrónu namiesto jeho náboja. Aj keď je táto forma tranzistora ešte ďaleko od komercializácie, ak sa vyrieši, bude potrebovať na prevádzku iba 10-20 milivoltov, čo je stokrát menej ako bežné tranzistory; tým by sa odstránili aj problémy s prehrievaním, ktorým čelia polovodičové spoločnosti pri výrobe čoraz menších čipov.

Neuromorfné výpočty a memristory. Ďalší nový prístup k riešeniu tejto hroziacej krízy spracovania spočíva v ľudskom mozgu. Najmä výskumníci z IBM a DARPA vedú vývoj nového druhu mikročipu – čipu, ktorého integrované obvody sú navrhnuté tak, aby napodobňovali decentralizovanejší a nelineárny prístup mozgu k počítaču. (Pozrite si toto článok na ScienceBlogs pre lepšie pochopenie rozdielov medzi ľudským mozgom a počítačmi.) Prvé výsledky naznačujú, že čipy, ktoré napodobňujú mozog, sú nielen výrazne efektívnejšie, ale fungujú s neuveriteľne nižším príkonom ako súčasné mikročipy.

Použitím rovnakého prístupu modelovania mozgu môže byť samotný tranzistor, povestný stavebný kameň mikročipu vášho počítača, čoskoro nahradený memristorom. Memristor, ktorý začína éru „iónov“, ponúka oproti tradičnému tranzistoru množstvo zaujímavých výhod:

Po prvé, memristory si môžu zapamätať tok elektrónov, ktorý nimi prechádza - aj keď dôjde k prerušeniu napájania. V preklade to znamená, že jedného dňa by ste mohli zapnúť počítač rovnakou rýchlosťou ako vaša žiarovka.
Tranzistory sú binárne, buď 1s alebo 0s. Memristory medzitým môžu mať rôzne stavy medzi týmito extrémami, napríklad 0.25, 0.5, 0.747 atď. Vďaka tomu fungujú memristory podobne ako synapsie v našom mozgu, a to je veľká vec, pretože by to mohlo otvoriť celý rad budúcich výpočtov možnosti.
Ďalej, memristory nepotrebujú kremík, aby fungovali, čo otvára cestu pre polovodičový priemysel na experimentovanie s použitím nových materiálov na ďalšiu miniaturizáciu mikročipov (ako bolo načrtnuté vyššie).
Nakoniec, podobne ako zistenia IBM a DARPA v oblasti neuromorfných výpočtov, mikročipy založené na memristoroch sú rýchlejšie, spotrebujú menej energie a môžu mať vyššiu informačnú hustotu ako čipy, ktoré sú v súčasnosti na trhu.

3D čipy. Tradičné mikročipy a tranzistory, ktoré ich poháňajú, fungujú na plochej, dvojrozmernej rovine, no začiatkom roku 2010 začali polovodičové spoločnosti experimentovať s pridávaním tretieho rozmeru do svojich čipov. Tieto nové tranzistory nazývané „finFET“ majú kanál, ktorý vyčnieva z povrchu čipu, čo im dáva lepšiu kontrolu nad tým, čo sa deje v ich kanáloch, čo im umožňuje bežať takmer o 40 percent rýchlejšie a pracovať s polovičnou energiou. Nevýhodou však je, že tieto čipy sú v súčasnosti výrazne náročnejšie (nákladnejšie) na výrobu.

Ale okrem prepracovania jednotlivých tranzistorov, budúcnosť 3D čipy Cieľom je tiež kombinovať výpočtovú techniku a ukladanie údajov vo vertikálne naskladaných vrstvách. Práve teraz tradičné počítače ukladajú svoje pamäťové kľúče centimetre od procesora. Integráciou pamäte a komponentov spracovania však táto vzdialenosť klesá z centimetrov na mikrometre, čo umožňuje obrovské zlepšenie rýchlosti spracovania a spotreby energie.

Kvantové výpočty. Ak sa pozrieme ďalej do budúcnosti, veľká časť výpočtovej techniky na podnikovej úrovni by mohla fungovať podľa podivných zákonov kvantovej fyziky. Kvôli dôležitosti tohto druhu výpočtovej techniky sme mu však dali vlastnú kapitolu na samom konci tejto série.

Super mikročipy nie sú dobrý biznis

Dobre, takže to, čo ste čítali vyššie, je všetko v poriadku – hovoríme o ultra energeticky účinných mikročipoch modelovaných podľa ľudského mozgu, ktorý dokáže bežať rýchlosťou svetla – ale ide o to, že priemysel výroby polovodičových čipov nie je príliš horlivý premeniť tieto koncepty na masovo vyrábanú realitu.

Technologickí giganti, ako sú Intel, Samsung a AMD, už v priebehu desaťročí investovali miliardy dolárov do výroby tradičných mikročipov na báze kremíka. Prechod na ktorýkoľvek z nových konceptov uvedených vyššie by znamenal zrušenie týchto investícií a ďalšie miliardy výdavkov na výstavbu nových tovární na masovú výrobu nových modelov mikročipov, ktoré majú nulový predaj.

Nie je to len investícia času a peňazí, čo brzdí tieto polovodičové spoločnosti. Spotrebiteľský dopyt po stále výkonnejších mikročipoch tiež klesá. Zamyslite sa nad tým: Počas 90. rokov a väčšiny 00. rokov bolo takmer samozrejmosťou, že svoj počítač alebo telefón vymeníte, ak nie každý rok, tak každý druhý rok. Umožní vám to držať krok so všetkým novým softvérom a aplikáciami, ktoré sa objavili na uľahčenie a zlepšenie vášho domáceho a pracovného života. Ako často v súčasnosti inovujete na najnovší model stolného počítača alebo notebooku na trhu?

Keď premýšľate o svojom smartfóne, máte vo vrecku niečo, čo by sa ešte pred 20 rokmi považovalo za superpočítač. Okrem sťažností na výdrž batérie a pamäť je väčšina telefónov zakúpených od roku 2016 dokonale schopná spustiť akúkoľvek aplikáciu alebo mobilnú hru, streamovať akékoľvek hudobné video alebo neposlušnú reláciu facetimingu s vaším SO alebo čokoľvek iné, čo by ste chceli na svojom telefón. Naozaj potrebujete minúť 1,000 10 dolárov alebo viac každý rok, aby ste tieto veci robili o 15-XNUMX percent lepšie? Všimli by ste si vôbec rozdiel?

Pre väčšinu ľudí je odpoveď nie.

Budúcnosť Moorovho zákona

V minulosti väčšina investícií do polovodičových technológií pochádzala z vojenských výdavkov na obranu. Potom ho nahradili výrobcovia spotrebnej elektroniky a do roku 2020 – 2023 sa hlavné investície do ďalšieho vývoja mikročipov opäť presunú, tentoraz z odvetví, ktoré sa špecializujú na:

Obsah ďalšej generácie. Nadchádzajúce predstavenie zariadení holografických, virtuálnych a rozšírených realít pre širokú verejnosť podnieti väčší dopyt po streamovaní údajov, najmä keď tieto technológie dospejú a narastú na popularite koncom roka 2020.
cloud computing. Vysvetlené v ďalšej časti tohto seriálu.
Autonómne vozidlá. Dôkladne vysvetlené v našom Budúcnosť dopravy série.
Internet vecí. Vysvetlené v našom internet vecí kapitola v našom Budúcnosť internetu série.
Veľké dáta a analytika. Organizácie, ktoré vyžadujú pravidelné získavanie údajov – napríklad armáda, vesmírny prieskum, meteorológovia, farmaceutiká, logistika atď. – budú naďalej vyžadovať čoraz výkonnejšie počítače na analýzu ich neustále sa rozširujúcich súborov zozbieraných údajov.

Financovanie výskumu a vývoja mikročipov novej generácie bude vždy existovať, ale otázkou je, či úroveň financovania potrebná pre zložitejšie formy mikroprocesorov dokáže držať krok s požiadavkami rastu podľa Moorovho zákona. Vzhľadom na náklady na prechod na nové formy mikročipov a ich komercializáciu spolu so spomaľujúcim sa dopytom spotrebiteľov, budúcimi krízami vládneho rozpočtu a ekonomickou recesiou je pravdepodobné, že Moorov zákon sa začiatkom roku 2020 nakrátko spomalí alebo zastaví, kým sa neskôr obnoví. 2020. roky 2030. storočia, začiatok XNUMX. rokov XNUMX. storočia.

Pokiaľ ide o to, prečo Mooreov zákon opäť naberie rýchlosť, povedzme, že mikročipy poháňané turbodúchadlom nie sú jedinou revolúciou, ktorá prichádza vo výpočtovom potrubí. Ďalej v našej sérii Future of Computers preskúmame trendy podporujúce rast cloud computingu.