Бледећи Муров закон да подстакне фундаментално преиспитивање микрочипова: Будућност рачунара П4

Компјутери — они су велика ствар. Али да бисмо заиста ценили трендове у настајању које смо до сада наговестили у нашој серији Футуре оф Цомпутерс, такође морамо да разумемо револуције које јуре низ компјутерски цевовод, или једноставно: будућност микрочипова.

Да бисмо основе склонили са пута, морамо разумети Муров закон, сада познати закон који је др Гордон Е. Мур основао 1965. У суштини, оно што је Мур схватио пре свих тих деценија је да се број транзистора у интегрисаном колу удвостручује сваких 18 до 24 месеца. Због тога ће вас исти рачунар који данас купите за 1,000 долара коштати 500 долара за две године.

Више од педесет година, индустрија полупроводника је пратила свеобухватну линију тренда овог закона, утирући пут новим оперативним системима, видео игрицама, видео стримовању, мобилним апликацијама и свакој другој дигиталној технологији која је дефинисала нашу модерну културу. Али док се чини да ће потражња за овим растом остати стабилна још пола века, силицијум — темељни материјал од којег су изграђени сви савремени микрочипови — не изгледа као да ће задовољити ту потражњу за много дуже протекле 2021. године — према последњи извештај из Међународна технолошка мапа пута за полупроводнике (ИТРС)

То је стварно физика: индустрија полупроводника смањује транзисторе на атомску скалу, силицијум ће ускоро бити неподесан. И што више ова индустрија покушава да смањи силицијум преко његових оптималних граница, то ће свака еволуција микрочипа постати скупља.

Овде смо данас. За неколико година, силицијум више неће бити исплатив материјал за прављење следеће генерације најсавременијих микрочипова. Ово ограничење ће натерати револуцију у електроници приморавајући индустрију полупроводника (и друштво) да бира између неколико опција:

• Прва опција је да се успори или оконча скуп развој ради даље минијатуризације силицијума, у корист проналажења нових начина за дизајнирање микрочипова који генеришу више процесорске снаге без додатне минијатуризације.

• Друго, пронађите нове материјале којима се може манипулисати у далеко мањим размерама од силицијума да бисте убацили све већи број транзистора у још гушће микрочипове.

• Треће, уместо да се фокусирате на минијатуризацију или побољшања коришћења енергије, поново се фокусирајте на брзину обраде кроз креирање процесора који су специјализовани за специфичне случајеве употребе. То би могло значити да уместо једног генералног чипа, будући рачунари могу имати кластер специјализованих чипова. Примери укључују графичке чипове који се користе за побољшање видео игара Гоогле-ов увод чипа Тенсор Процессинг Унит (ТПУ) који је специјализован за апликације машинског учења.

• Коначно, дизајнирајте нови софтвер и инфраструктуру облака који могу да раде брже и ефикасније без потребе за гушћим/мањим микрочиповима.

Коју ће опцију изабрати наша технолошка индустрија? Реално: сви они.

Спасилачка линија за Муров закон

Следећа листа је кратак увид у краткорочне и дугорочне иновације које ће конкуренти у индустрији полупроводника користити да би одржали Муров закон у животу. Овај део је мало густ, али ћемо се потрудити да буде читљив.

nanomaterijali. Водеће полупроводничке компаније, попут Интела, већ су најавиле да хоће кап силицијум када достигну минијатуризацију скале од седам нанометара (7 нм). Кандидати за замену силицијума укључују индијум антимонид (ИнСб), индијум галијум арсенид (ИнГаАс) и силицијум-германијум (СиГе), али чини се да су материјал који изазива највеће узбуђење угљеничне наноцеви. Направљене од графита — који је сам композитни сноп чудесног материјала, графена — угљеничне наноцеви могу бити дебеле од атома, изузетно су проводљиве и процењује се да ће будуће микрочипове учинити пет пута бржим до 2020.

Оптичко рачунарство. Један од највећих изазова око дизајнирања чипова је осигурати да електрони не прескачу са једног транзистора на други – разматрање које постаје бескрајно теже када уђете на атомски ниво. Нова технологија оптичког рачунарства изгледа да замени електроне фотонима, при чему се светлост (не електрична енергија) преноси са транзистора на транзистор. У КСНУМКС, истраживачи су направили огроман корак ка овом циљу демонстрирајући способност складиштења информација заснованих на светлости (фотона) као звучних таласа на компјутерском чипу. Користећи овај приступ, микрочипови би могли да раде близу брзине светлости до 2025.

Спинтроницс. Током две деценије у развоју, спинтронски транзистори покушавају да искористе 'спин' електрона уместо његовог наелектрисања за представљање информација. Иако је још далеко од комерцијализације, ако се реши, овом облику транзистора ће бити потребно само 10-20 миливолти за рад, стотине пута мање од конвенционалних транзистора; ово би такође уклонило проблеме прегревања са којима се полупроводничке компаније суочавају када производе све мање чипове.

Неуроморфно рачунарство и мемристори. Још један нови приступ решавању ове надолазеће кризе обраде лежи у људском мозгу. Истраживачи у ИБМ-у и ДАРПА-и, посебно, предводе развој нове врсте микрочипа — чипа чија су интегрисана кола дизајнирана да опонашају децентрализованији и нелинеарнији приступ мозга рачунарству. (Погледајте ово Чланак СциенцеБлогс да боље разумеју разлике између људског мозга и рачунара.) Рани резултати показују да су чипови који опонашају мозак не само значајно ефикаснији, већ и раде користећи невероватно мању снагу од данашњих микрочипова.

Користећи исти приступ моделирању мозга, сам транзистор, пословични грађевни блок микрочипа вашег рачунара, може ускоро бити замењен мемристором. Уводећи у еру „јонике“, мемристор нуди низ занимљивих предности у односу на традиционални транзистор:

• Прво, мемристори могу да упамте проток електрона који пролази кроз њих - чак и ако се струја прекине. Преведено, то значи да ћете једног дана моћи да укључите рачунар истом брзином као и ваша сијалица.

• Транзистори су бинарни, било 1с или 0с. Мемристори, у међувремену, могу имати различита стања између ових екстрема, као што су 0.25, 0.5, 0.747, итд. Ово чини да мемристори функционишу слично синапсама у нашем мозгу, а то је велика ствар јер би то могло да отвори низ будућих рачунара могућности.

• Затим, мемристорима није потребан силицијум да би функционисали, отварајући пут индустрији полупроводника да експериментише са коришћењем нових материјала за даљу минијатуризацију микрочипова (као што је раније наведено).

• Коначно, слично открићима ИБМ-а и ДАРПА-е у неуроморфном рачунарству, микрочипови засновани на мемристорима су бржи, троше мање енергије и могу имати већу густину информација од чипова који су тренутно на тржишту.

3Д чипови. Традиционални микрочипови и транзистори који их напајају раде на равној, дводимензионалној равни, али почетком 2010-их, полупроводничке компаније почеле су да експериментишу са додавањем треће димензије својим чиповима. Названи 'финФЕТ', ови нови транзистори имају канал који вири са површине чипа, дајући им бољу контролу над оним што се дешава у њиховим каналима, омогућавајући им да раде скоро 40 процената брже и раде користећи половину енергије. Недостатак је, међутим, што је ове чипове знатно теже (скупо) произвести у овом тренутку.

Али поред редизајнирања појединачних транзистора, будућност 3Д чипови такође имају за циљ да комбинују рачунарство и складиштење података у вертикално наслаганим слојевима. Управо сада, традиционални рачунари чувају своје меморијске картице у центиметрима од свог процесора. Али интеграцијом меморије и компоненти за обраду, ово растојање се смањује са центиметара на микрометре, омогућавајући огромно побољшање у брзини обраде и потрошњи енергије.

Куантум цомпутинг. Гледајући даље у будућност, велики део рачунарства на нивоу предузећа могао би да ради по чудним законима квантне физике. Међутим, због важности ове врсте рачунарства, дали смо му посебно поглавље на самом крају ове серије.

Супер микрочипови нису добар посао

У реду, оно што сте прочитали изнад је све у реду – говоримо о ултра енергетски ефикасним микрочиповима по узору на људски мозак који може да ради брзином светлости – али ствар је у томе да индустрија производње полупроводничких чипова није претерано жељни да ове концепте претворе у масовну стварност.

Технолошки гиганти, попут Интела, Самсунга и АМД-а, већ су уложили милијарде долара током деценија у производњу традиционалних микрочипова заснованих на силикону. Прелазак на било који од горе наведених нових концепата значио би одустајање од тих инвестиција и трошење милијарди више на изградњу нових фабрика за масовну производњу нових модела микрочипова који имају нулте резултате у продаји.

Није само улагање времена и новца оно што спутава ове полупроводничке компаније. Потражња потрошача за све снажнијим микрочиповима такође јењава. Размислите о томе: током 90-их и већине 00-их, било је готово дато да ћете трговати својим рачунаром или телефоном, ако не сваке године, онда сваке друге године. Ово би вам омогућило да будете у току са свим новим софтверима и апликацијама који су излазили како би ваш дом и посао учинили лакшим и бољим. Колико често ових дана вршите надоградњу на најновији модел десктоп или лаптоп рачунара на тржишту?

Када помислите на свој паметни телефон, у џепу имате оно што би се пре само 20 година сматрало суперкомпјутером. Осим притужби на трајање батерије и меморију, већина телефона купљених од 2016. савршено је способна за покретање било које апликације или мобилне игре, за стримовање било ког музичког видеа или несташну сесију фејтиминга са вашим СО, или скоро све што бисте желели да радите на свом телефон. Да ли заиста треба да трошите 1,000 долара или више сваке године да бисте ове ствари урадили 10-15 процената боље? Да ли бисте уопште приметили разлику?

За већину људи, одговор је не.

Будућност Муровог закона

У прошлости је већина инвестиционих средстава у технологију полупроводника долазила из војних издатака за одбрану. Затим су га заменили произвођачи потрошачке електронике, а до 2020-2023, водеће инвестиције у даљи развој микрочипова ће се поново пребацити, овог пута из индустрија специјализованих за следеће:

• Садржај следеће генерације. Предстојеће увођење холографских, виртуелних уређаја и уређаја проширене стварности широј јавности ће подстаћи већу потражњу за стримингом података, посебно како ове технологије сазревају и постају све популарније током касних 2020-их.

• цлоуд цомпутинг. Објашњено у следећем делу ове серије.

• Аутономна возила. Детаљно објашњено у нашем Будућност транспорта серије.

• Интернет Ствари. Објашњено у нашој Интернет ствари поглавље у нашем Будућност интернета серије.

• Велики подаци и аналитика. Организације које захтевају редовно прикупљање података – као што су војска, истраживање свемира, прогностичари, фармацеутски производи, логистика, итд. – наставиће да захтевају све моћније рачунаре за анализу својих све ширих скупова прикупљених података.

Финансирање истраживања и развоја микрочипова следеће генерације ће увек постојати, али питање је да ли ниво финансирања потребан за сложеније облике микропроцесора може да прати захтеве раста Муровог закона. С обзиром на цену преласка на и комерцијализацију нових облика микрочипова, заједно са успоравањем потражње потрошача, будућим кршењем буџета владе и економском рецесијом, велике су шансе да ће Муров закон успорити или накратко зауставити почетком 2020-их, пре него што се поново активира до краја 2020. 2030-их, почетком XNUMX-их.

Што се тиче тога зашто ће Муров закон поново убрзати, па, рецимо само да микрочипови на турбо погон нису једина револуција која долази низ компјутерски цевовод. Следеће у нашој серији Футуре оф Цомпутерс, истражићемо трендове који подстичу раст рачунарства у облаку.

Футуре оф Цомпутерс серија

Нови кориснички интерфејси за редефинисање човечанства: Будућност рачунара П1

Будућност развоја софтвера: Будућност рачунара П2

Револуција дигиталног складиштења: Будућност рачунара П3

Рачунарство у облаку постаје децентрализовано: будућност рачунара П5

Зашто се земље такмиче у изградњи највећих суперкомпјутера? Будућност рачунара П6

Како ће квантни рачунари променити свет: Будућност рачунара П7