Quantumrun

BILDKREDIT: Quantumrun

En bleknande Moores lag för att väcka grundläggande omtanke om mikrochips: Future of Computers P4

David Tal, Förläggare, Futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Tis, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Datorer – de är en stor grej. Men för att verkligen uppskatta de framväxande trenderna som vi hittills har antytt i vår Future of Computers-serie, måste vi också förstå revolutionerna som sprintar nerför beräkningspipelinen, eller helt enkelt: mikrochippens framtid.

För att få grunderna ur vägen måste vi förstå Moores lag, den nu berömda lagen som Dr Gordon E. Moore grundade 1965. Vad Moore insåg för alla decennier sedan är att antalet transistorer i en integrerad krets fördubblas var 18:e till 24:e månad. Det är därför samma dator som du köper idag för 1,000 500 USD kommer att kosta dig XNUMX USD om två år.

I över femtio år har halvledarindustrin levt upp till denna lags sammansatta trendlinje, vilket banat väg för de nya operativsystemen, videospel, strömmande video, mobilappar och all annan digital teknik som har definierat vår moderna kultur. Men även om efterfrågan på denna tillväxt verkar som om den kommer att förbli stabil i ytterligare ett halvt sekel, verkar inte kisel – berggrundsmaterialet som alla moderna mikrochips är byggda med – inte som att det kommer att möta den efterfrågan mycket längre än 2021 – enligt sista rapporten från International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

Det är fysik egentligen: halvledarindustrin krymper transistorer till atomskala, ett kisel i skala kommer snart att vara olämpligt för. Och ju mer den här industrin försöker krympa kisel förbi sina optimala gränser, desto dyrare kommer varje mikrochipsutveckling att bli.

Det är här vi är idag. Om några år kommer kisel inte längre vara ett kostnadseffektivt material för att bygga nästa generation av banbrytande mikrochips. Denna gräns kommer att tvinga fram en revolution inom elektronik genom att tvinga halvledarindustrin (och samhället) att välja mellan några alternativ:

Det första alternativet är att bromsa, eller avsluta, kostsam utveckling för att ytterligare miniatyrisera kisel, till förmån för att hitta nya sätt att designa mikrochips som genererar mer processorkraft utan ytterligare miniatyrisering.
För det andra, hitta nya material som kan manipuleras i mycket mindre skalor än kisel för att stoppa in allt större antal transistorer i ännu tätare mikrochips.
För det tredje, istället för att fokusera på miniatyrisering eller förbättringar av energianvändningen, fokusera om på bearbetningshastigheten genom att skapa processorer som är specialiserade för specifika användningsfall. Detta kan innebära att istället för att ha ett generalistchip, kan framtida datorer ha ett kluster av specialistchips. Exempel inkluderar grafikmarker som används för att förbättra videospel till Googles introduktion av Tensor Processing Unit (TPU)-chipet som är specialiserat på maskininlärningsapplikationer.
Slutligen, designa ny mjukvara och molninfrastruktur som kan fungera snabbare och mer effektivt utan att behöva tätare/mindre mikrochips.

Vilket alternativ kommer vår teknikindustri att välja? Realistiskt: alla.

Livlinan för Moores lag

Följande lista är en kort inblick i de innovationer på kort och lång sikt konkurrenter inom halvledarindustrin kommer att använda för att hålla Moores lag vid liv. Den här delen är lite tät, men vi ska försöka hålla den läsbar.

nanomaterial. Ledande halvledarföretag, som Intel, har redan meddelat att de kommer att göra det droppa kisel när de når miniatyriseringsskalor på sju nanometer (7nm). Kandidater för att ersätta kisel inkluderar indiumantimonid (InSb), indiumgalliumarsenid (InGaAs) och kiselgermanium (SiGe), men det material som blir mest upphetsad verkar vara kolnanorör. Tillverkade av grafit – i sig en kompositstapel av undermaterialet grafen – kan kolnanorör göras tjocka atomer, är extremt ledande och beräknas göra framtida mikrochips upp till fem gånger snabbare år 2020.

Optisk beräkning. En av de största utmaningarna med att designa chips är att se till att elektroner inte hoppar från en transistor till en annan – ett övervägande som blir oändligt mycket svårare när du väl går in på atomnivån. Den framväxande tekniken för optisk beräkning ser ut att ersätta elektroner med fotoner, varvid ljus (inte elektricitet) passerar från transistor till transistor. i 2017, tog forskare ett jättesteg mot detta mål genom att demonstrera förmågan att lagra ljusbaserad information (fotoner) som ljudvågor på ett datorchip. Med detta tillvägagångssätt skulle mikrochips kunna arbeta nära ljusets hastighet år 2025.

spinntronik. Under två decennier i utveckling försöker spintroniska transistorer använda "spin" av en elektron istället för dess laddning för att representera information. Även om den fortfarande är långt från kommersialisering, om den löses, kommer denna form av transistor bara att behöva 10-20 millivolt för att fungera, hundratals gånger mindre än konventionella transistorer; detta skulle också ta bort de överhettningsproblem som halvledarföretag möter när de producerar allt mindre chips.

Neuromorphic computing och memristorer. En annan ny metod för att lösa denna hotande bearbetningskris ligger i den mänskliga hjärnan. Forskare vid IBM och DARPA, i synnerhet, leder utvecklingen av en ny typ av mikrochip – ett chip vars integrerade kretsar är designade för att efterlikna hjärnans mer decentraliserade och icke-linjära inställning till datoranvändning. (Kolla in det här ScienceBlogs-artikel för att bättre förstå skillnaderna mellan den mänskliga hjärnan och datorer.) Tidiga resultat tyder på att chips som efterliknar hjärnan inte bara är betydligt effektivare, utan de använder otroligt mindre watt än dagens mikrochips.

Genom att använda samma hjärnmodelleringsmetod kan själva transistorn, den ökända byggstenen i din dators mikrochip, snart ersättas av memristorn. Genom att inleda "jonics"-eran erbjuder en memristor ett antal intressanta fördelar jämfört med den traditionella transistorn:

För det första kan memristorer komma ihåg elektronflödet som passerar genom dem – även om strömmen bryts. Översatt betyder det att du en dag kan slå på din dator i samma hastighet som din glödlampa.
Transistorer är binära, antingen 1:or eller 0:or. Memristorer kan under tiden ha en mängd olika tillstånd mellan dessa ytterligheter, som 0.25, 0.5, 0.747, etc. Detta gör att memristorer fungerar på samma sätt som synapserna i våra hjärnor, och det är en stor sak eftersom det kan öppna upp en rad framtida datoranvändning möjligheter.
Därefter behöver memristorer inte kisel för att fungera, vilket öppnar vägen för halvledarindustrin att experimentera med att använda nya material för att ytterligare miniatyrisera mikrochips (som beskrivits tidigare).
Slutligen, i likhet med de upptäckter som IBM och DARPA gjort när det gäller neuromorfisk beräkning, är mikrochips baserade på memristorer snabbare, använder mindre energi och kan hålla en högre informationstäthet än chips som för närvarande finns på marknaden.

3D-chips. Traditionella mikrochips och transistorerna som driver dem arbetar på ett platt, tvådimensionellt plan, men i början av 2010-talet började halvledarföretag experimentera med att lägga till en tredje dimension till sina chips. Dessa nya transistorer kallas 'finFET' och har en kanal som sticker upp från chipets yta, vilket ger dem bättre kontroll över vad som sker i deras kanaler, vilket gör att de kan köra nästan 40 procent snabbare och använda hälften av energin. Nackdelen är dock att dessa chips är betydligt svårare (dyrare) att producera för tillfället.

Men bortom att designa om de enskilda transistorerna, framtiden 3D-chips syftar också till att kombinera datoranvändning och datalagring i vertikalt staplade lager. Just nu rymmer traditionella datorer sina minnesstickor centimeter från processorn. Men genom att integrera minnet och bearbetningskomponenterna sjunker detta avstånd från centimeter till mikrometer, vilket möjliggör en enorm förbättring av bearbetningshastigheter och energiförbrukning.

Kvantberäkning. Om man ser längre in i framtiden kan en stor del av datoranvändning på företagsnivå fungera under kvantfysikens galna lagar. Men på grund av vikten av denna typ av datoranvändning gav vi den ett eget kapitel i slutet av den här serien.

Supermikrochips är ingen bra affär

Okej, så det du läser ovan är bra – vi pratar om ultraenergieffektiva mikrochips modellerade efter den mänskliga hjärnan som kan köras med ljusets hastighet – men grejen är att industrin för tillverkning av halvledarchips inte är det alltför ivriga att förvandla dessa koncept till en massproducerad verklighet.

Teknikjättar, som Intel, Samsung och AMD, har redan investerat miljarder dollar under decennier för att producera traditionella, kiselbaserade mikrochips. Att byta till något av de nya koncepten som noterats ovan skulle innebära att man skrotade dessa investeringar och spenderar miljarder mer på att bygga nya fabriker för att massproducera nya mikrochipmodeller som har en försäljningsrecord på noll.

Det är inte bara investeringen i tid och pengar som håller dessa halvledarföretag tillbaka. Konsumenternas efterfrågan på allt kraftfullare mikrochips är också på avtagande. Tänk på det: Under 90-talet och större delen av 00-talet var det nästan givet att du skulle byta in din dator eller telefon, om inte varje år, så vartannat år. Detta skulle låta dig hålla jämna steg med all ny programvara och applikationer som kom ut för att göra ditt hem och arbetsliv enklare och bättre. Nuförtiden, hur ofta uppgraderar du till den senaste stationära eller bärbara modellen på marknaden?

När du tänker på din smartphone har du i fickan vad som skulle ha betraktats som en superdator för bara 20 år sedan. Bortsett från klagomål om batteritid och minne, är de flesta telefoner som köpts sedan 2016 perfekt kapabla att köra alla appar eller mobilspel, strömma vilken musikvideo som helst eller stygg facetiming-session med din SO, eller det mesta annat du skulle vilja göra på din telefon. Behöver du verkligen spendera 1,000 10 USD eller mer varje år för att göra dessa saker 15-XNUMX procent bättre? Skulle du ens märka skillnaden?

För de flesta är svaret nej.

Moores lags framtid

Tidigare kom det mesta av investeringsfinansieringen i halvledarteknik från militära försvarsutgifter. Det ersattes sedan av tillverkare av hemelektronik, och 2020-2023 kommer ledande investeringar i ytterligare utveckling av mikrochips att flyttas igen, denna gång från industrier som specialiserar sig på följande:

Nästa generations innehåll. Den kommande introduktionen av holografiska, virtuella och förstärkta verklighetsenheter för allmänheten kommer att stimulera en större efterfrågan på dataströmning, särskilt när dessa tekniker mognar och växer i popularitet under slutet av 2020-talet.
Cloud computing. Förklaras i nästa del av denna serie.
Autonoma fordon. Förklarat grundligt i vår Transportens framtid serien.
Sakernas internet. Förklarat i vår Sakernas Internet kapitel i vår Internets framtid serien.
Big data och analys. Organisationer som kräver regelbunden dataknäppning – tänk militären, rymdutforskning, väderprognosmakare, läkemedel, logistik etc. – kommer att fortsätta att kräva allt kraftfullare datorer för att analysera deras ständigt växande uppsättningar av insamlad data.

Finansiering för FoU till nästa generations mikrochip kommer alltid att finnas, men frågan är om finansieringsnivån som behövs för mer komplexa former av mikroprocessorer kan hålla jämna steg med tillväxtkraven i Moores lag. Med tanke på kostnaderna för att byta till och kommersialisera nya former av mikrochips, i kombination med minskad efterfrågan från konsumenterna, framtida kriser i statsbudgeten och ekonomiska lågkonjunkturer, är chansen stor att Moores lag kommer att sakta ner eller stanna upp en kort stund i början av 2020-talet, innan den tar fart igen i slutet av 2020-talet, början av 2030-talet.

När det gäller varför Moores lag kommer att ta fart igen, ja, låt oss bara säga att turbodrivna mikrochips inte är den enda revolutionen som kommer ner i datorpipelinen. Nästa upp i vår Future of Computers-serie kommer vi att utforska trenderna som driver tillväxten av molnberäkningar.