Bledeči Moorov zakon, ki sproži temeljito premislek o mikročipih: Prihodnost računalnikov P4

Računalniki - so nekakšna velika stvar. Toda da bi resnično cenili nastajajoče trende, ki smo jih do zdaj nakazali v naši seriji Prihodnost računalnikov, moramo razumeti tudi revolucije, ki drvijo po računalniškem cevovodu, ali preprosto: prihodnost mikročipov.

Da bi razumeli osnove, moramo razumeti Moorov zakon, zdaj slavni zakon dr. Gordona E. Moora, ki ga je ustanovil leta 1965. V bistvu je Moore pred vsemi tistimi desetletji spoznal, da se število tranzistorjev v integriranem vezju podvoji vsakih 18 do 24 mesecev. Zato vas bo isti računalnik, ki ga kupite danes za 1,000 dolarjev, čez dve leti stal 500 dolarjev.

Več kot petdeset let je industrija polprevodnikov živela v skladu s trendno linijo sestavljanja tega zakona in utirala pot novim operacijskim sistemom, video igram, pretočnim videom, mobilnim aplikacijam in vsaki drugi digitalni tehnologiji, ki je definirala našo sodobno kulturo. Toda medtem ko se zdi, da bo povpraševanje po tej rasti ostalo nespremenjeno še pol stoletja, se zdi, da silicij – temeljni material, iz katerega so zgrajeni vsi sodobni mikročipi – ne bo zadovoljil tega povpraševanja še veliko dlje po letu 2021 – glede na zadnje poročilo iz Mednarodni tehnološki načrt za polprevodnike (ITRS)

To je res fizika: industrija polprevodnikov krči tranzistorje na atomsko lestvico, za katero silicij kmalu ne bo več primeren. In bolj ko bo ta industrija poskušala skrčiti silicij čez svoje optimalne meje, dražja bo postala vsaka evolucija mikročipov.

Tukaj smo danes. Čez nekaj let silicij ne bo več stroškovno učinkovit material za izdelavo naslednje generacije najsodobnejših mikročipov. Ta omejitev bo povzročila revolucijo v elektroniki, saj bo polprevodniško industrijo (in družbo) prisilila k izbiri med nekaj možnostmi:

• Prva možnost je upočasniti ali končati drag razvoj za nadaljnjo miniaturizacijo silicija v prid iskanju novih načinov za oblikovanje mikročipov, ki ustvarjajo več procesorske moči brez dodatne miniaturizacije.

• Drugič, poiščite nove materiale, s katerimi je mogoče manipulirati v veliko manjšem obsegu kot s silicijem, da bi vedno večje število tranzistorjev napolnili v še gostejše mikročipe.

• Tretjič, namesto da se osredotočate na miniaturizacijo ali izboljšave porabe energije, se osredotočite na hitrost obdelave z ustvarjanjem procesorjev, ki so specializirani za posebne primere uporabe. To bi lahko pomenilo, da bodo prihodnji računalniki namesto enega splošnega čipa morda imeli skupino specializiranih čipov. Primeri vključujejo grafične čipe, ki se uporabljajo za izboljšanje video iger Googlov uvod čipa Tensor Processing Unit (TPU), ki je specializiran za aplikacije strojnega učenja.

• Končno oblikujte novo programsko opremo in infrastrukturo v oblaku, ki lahko deluje hitreje in učinkoviteje, ne da bi potrebovali gostejše/manjše mikročipe.

Katero možnost bo izbrala naša tehnološka industrija? Realno: vsi.

Rešilna bilka za Moorov zakon

Naslednji seznam je kratek vpogled v kratkoročne in dolgoročne inovacije, ki jih bodo konkurenti v industriji polprevodnikov uporabili za ohranjanje Moorovega zakona. Ta del je nekoliko gost, vendar se bomo trudili, da bo berljiv.

nanomateriali. Vodilna polprevodniška podjetja, kot je Intel, so že napovedala, da bodo spusti silicij ko dosežejo lestvice miniaturizacije sedmih nanometrov (7 nm). Kandidati za zamenjavo silicija so indijev antimonid (InSb), indijev galijev arzenid (InGaAs) in silicij-germanij (SiGe), vendar se zdi, da so material, ki najbolj vznemirja, ogljikove nanocevke. Narejene iz grafita – samega sestavljenega sklada čudežnega materiala – grafen – ogljikove nanocevke je mogoče narediti atomsko debele, so izredno prevodne in bodo po ocenah do leta 2020 naredile prihodnje mikročipe do petkrat hitrejše.

Optično računalništvo. Eden največjih izzivov pri načrtovanju čipov je zagotoviti, da elektroni ne preskakujejo z enega tranzistorja na drugega – to vprašanje postane neskončno težje, ko vstopite na atomsko raven. Nastajajoča tehnologija optičnega računalništva želi nadomestiti elektrone s fotoni, pri čemer se svetloba (ne elektrika) prenaša od tranzistorja do tranzistorja. V 2017, so raziskovalci naredili ogromen korak k temu cilju, tako da so dokazali sposobnost shranjevanja svetlobnih informacij (fotonov) kot zvočnih valov na računalniškem čipu. S tem pristopom bi lahko mikročipi do leta 2025 delovali blizu svetlobne hitrosti.

Spintronika. Več kot dve desetletji razvoja spintronski tranzistorji poskušajo uporabiti 'spin' elektrona namesto njegovega naboja za predstavitev informacij. Čeprav je še daleč od komercializacije, bo ta oblika tranzistorja, če bo rešena, za delovanje potrebovala le 10–20 milivoltov, kar je stokrat manj kot običajni tranzistorji; to bi odpravilo tudi težave s pregrevanjem, s katerimi se soočajo polprevodniška podjetja pri izdelavi vedno manjših čipov.

Nevromorfno računalništvo in memristorji. Še en nov pristop k reševanju te grozeče krize obdelave je v človeških možganih. Zlasti raziskovalci pri IBM in DARPA vodijo razvoj nove vrste mikročipa – čipa, katerega integrirana vezja so zasnovana tako, da posnemajo bolj decentraliziran in nelinearen pristop možganov do računalništva. (Oglejte si to Članek ScienceBlogs da bi bolje razumeli razlike med človeškimi možgani in računalniki.) Prvi rezultati kažejo, da čipi, ki posnemajo možgane, niso le bistveno bolj učinkoviti, ampak delujejo z neverjetno manjšo porabo energije kot današnji mikročipi.

Z uporabo istega pristopa modeliranja možganov bo sam tranzistor, pregovorni gradnik mikročipa vašega računalnika, morda kmalu zamenjal memristor. Memristor ponuja vrsto zanimivih prednosti v primerjavi s tradicionalnimi tranzistorji, ko vstopa v »ionsko« dobo:

• Prvič, memristorji si lahko zapomnijo tok elektronov, ki gre skozi njih – tudi če je elektrika prekinjena. Prevedeno, to pomeni, da bi nekega dne lahko računalnik prižgali z enako hitrostjo kot žarnico.

• Tranzistorji so binarni, 1s ali 0s. Medtem imajo lahko memristorji različna stanja med temi skrajnostmi, na primer 0.25, 0.5, 0.747 itd. Zaradi tega memristorji delujejo podobno kot sinapse v naših možganih, kar je zelo pomembno, saj lahko odpre vrsto prihodnjega računalništva. možnosti.

• Nato memristorji za delovanje ne potrebujejo silicija, kar odpira pot industriji polprevodnikov, da eksperimentira z uporabo novih materialov za nadaljnjo miniaturizacijo mikročipov (kot je bilo opisano prej).

• Nazadnje, podobno kot sta IBM in DARPA odkrila nevromorfno računalništvo, so mikročipi, ki temeljijo na memristorjih, hitrejši, porabijo manj energije in lahko vsebujejo večjo gostoto informacij kot čipi, ki so trenutno na trgu.

3D čipi. Tradicionalni mikročipi in tranzistorji, ki jih napajajo, delujejo na ravni, dvodimenzionalni ravnini, vendar so v zgodnjih 2010-ih polprevodniška podjetja začela eksperimentirati z dodajanjem tretje dimenzije svojim čipom. Ti novi tranzistorji, imenovani "finFET", imajo kanal, ki štrli s površine čipa, kar jim omogoča boljši nadzor nad dogajanjem v njihovih kanalih, kar jim omogoča, da delujejo skoraj 40 odstotkov hitreje in delujejo s polovico manj energije. Slaba stran pa je, da je te čipe trenutno bistveno težje (dražje) izdelati.

Toda poleg preoblikovanja posameznih tranzistorjev prihodnost 3D čipi prav tako si prizadevajo združiti računalništvo in shranjevanje podatkov v navpično zloženih plasteh. Trenutno tradicionalni računalniki hranijo svoje pomnilniške ključke centimetre od procesorja. Toda z integracijo pomnilniških in procesorskih komponent se ta razdalja zmanjša s centimetrov na mikrometre, kar omogoča velikansko izboljšanje hitrosti obdelave in porabe energije.

Kvantno računanje. Če pogledamo dlje v prihodnost, bi lahko velik del računalništva na ravni podjetij deloval po čudnih zakonih kvantne fizike. Vendar pa smo zaradi pomembnosti tovrstnega računalništva temu namenili svoje poglavje čisto na koncu te serije.

Super mikročipi niso dober posel

V redu, kar ste prebrali zgoraj, je vse lepo in prav – govorimo o ultra energijsko učinkovitih mikročipih, izdelanih po vzoru človeških možganov, ki lahko delujejo s svetlobno hitrostjo – toda stvar je v tem, da industrija izdelave polprevodniških čipov ni pretirano željni, da bi te koncepte spremenili v množično proizvedeno resničnost.

Tehnološki velikani, kot so Intel, Samsung in AMD, so že desetletja vložili milijarde dolarjev v proizvodnjo tradicionalnih mikročipov na osnovi silicija. Prehod na katerega koli od zgoraj omenjenih novih konceptov bi pomenil opustitev teh naložb in porabo več milijard za gradnjo novih tovarn za množično proizvodnjo novih modelov mikročipov, katerih prodajna zgodovina je enaka nič.

Ta polprevodniška podjetja ne zadržujejo le čas in denarna naložba. Upada tudi povpraševanje potrošnikov po vse zmogljivejših mikročipih. Pomislite: v 90-ih in večini 00-ih je bilo skoraj samoumevno, da boste zamenjali svoj računalnik ali telefon, če ne vsako leto, pa vsako drugo leto. To bi vam omogočilo, da ste na tekočem z vso novo programsko opremo in aplikacijami, ki so prihajale na trg, da bi olajšale in izboljšale vaše domače in službeno življenje. Kako pogosto v teh dneh nadgradite na najnovejši model namiznega ali prenosnega računalnika na trgu?

Ko pomislite na svoj pametni telefon, imate v žepu nekaj, kar bi še pred 20 leti veljalo za superračunalnik. Poleg pritožb glede življenjske dobe baterije in pomnilnika je večina telefonov, kupljenih od leta 2016, popolnoma sposobna izvajati katero koli aplikacijo ali mobilno igro, pretakati kateri koli glasbeni videoposnetek ali nagajivo sejo merjenja časa z vašo SO ali večino česar koli drugega, kar bi želeli početi na svojem telefon. Ali res morate vsako leto porabiti 1,000 $ ali več, da bi te stvari naredili 10-15 odstotkov bolje? Bi sploh opazili razliko?

Za večino ljudi je odgovor ne.

Prihodnost Moorovega zakona

V preteklosti je večina sredstev za naložbe v polprevodniško tehnologijo izvirala iz izdatkov za vojaško obrambo. Nato so ga nadomestili proizvajalci zabavne elektronike in do leta 2020–2023 se bodo vodilne naložbe v nadaljnji razvoj mikročipov znova preusmerile, tokrat iz industrij, specializiranih za naslednje:

• Vsebina naslednje generacije. Prihajajoča uvedba holografskih naprav, naprav za navidezno in razširjeno resničnost širši javnosti bo spodbudila večje povpraševanje po pretakanju podatkov, zlasti ko te tehnologije dozorevajo in postajajo vse bolj priljubljene v poznih 2020. letih.

• računalništvo v oblaku. Razloženo v naslednjem delu te serije.

• Avtonomna vozila. Podrobno razloženo v našem Prihodnost prometa seriji.

• Internet stvari. Pojasnjeno v našem Internet stvari poglavje v našem Prihodnost interneta seriji.

• Veliki podatki in analitika. Organizacije, ki potrebujejo redno drobljenje podatkov – mislim na vojsko, raziskovanje vesolja, vremenske napovedovalce, farmacevtske izdelke, logistiko itd. – bodo še naprej zahtevale vedno zmogljivejše računalnike za analizo svojih vedno večjih naborov zbranih podatkov.

Financiranje za raziskave in razvoj mikročipov naslednje generacije bo vedno obstajalo, vendar je vprašanje, ali lahko stopnja financiranja, potrebna za bolj zapletene oblike mikroprocesorjev, sledi zahtevam rasti Moorovega zakona. Glede na stroške prehoda in komercializacije novih oblik mikročipov, skupaj z upočasnjevanjem povpraševanja potrošnikov, prihodnjimi proračunskimi krči in gospodarskimi recesijami, obstaja verjetnost, da se bo Moorov zakon upočasnil ali za kratek čas ustavil v zgodnjih 2020-ih, preden se bo proti koncu spet začel izvajati. 2020-ih, zgodnjih 2030-ih.

Glede tega, zakaj se bo Moorov zakon spet pospešil, no, povejmo le, da mikročipi s turbo pogonom niso edina revolucija, ki prihaja po računalniškem cevovodu. Naslednji v naši seriji Future of Computers bomo raziskali trende, ki spodbujajo rast računalništva v oblaku.

Serija Prihodnost računalnikov

Nastajajoči uporabniški vmesniki za redefiniranje človeštva: Prihodnost računalnikov P1

Prihodnost razvoja programske opreme: Prihodnost računalnikov P2

Revolucija digitalnega shranjevanja: Prihodnost računalnikov P3

Računalništvo v oblaku postane decentralizirano: prihodnost računalnikov P5

Zakaj države tekmujejo v izdelavi največjih superračunalnikov? Prihodnost računalnikov P6

Kako bodo kvantni računalniki spremenili svet: Prihodnost računalnikov P7