กฎของมัวร์ที่กำลังจางหายไปเพื่อจุดประกายการทบทวนพื้นฐานของไมโครชิป: อนาคตของคอมพิวเตอร์ P4

คอมพิวเตอร์—เป็นเรื่องใหญ่ แต่เพื่อชื่นชมแนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่ที่เราเคยบอกเป็นนัยถึงในซีรีส์ Future of Computers ของเรา เรายังต้องเข้าใจถึงการปฏิวัติที่กำลังดำเนินไปในไปป์ไลน์การคำนวณ หรือเพียงแค่: อนาคตของไมโครชิป

เพื่อให้ได้พื้นฐาน เราต้องเข้าใจกฎของมัวร์ ซึ่งเป็นกฎหมายที่มีชื่อเสียงในขณะนี้ ดร. กอร์ดอน อี. มัวร์ ก่อตั้งขึ้นในปี 1965 โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งที่มัวร์ตระหนักดีเมื่อหลายสิบปีก่อนคือจำนวนทรานซิสเตอร์ในวงจรรวมเพิ่มขึ้นสองเท่า ทุก 18 ถึง 24 เดือน นี่คือเหตุผลที่คอมพิวเตอร์เครื่องเดียวที่คุณซื้อวันนี้ในราคา $1,000 จะมีค่าใช้จ่าย $500 ในอีกสองปีนับจากนี้

เป็นเวลากว่าห้าสิบปีแล้ว ที่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้ดำเนินชีวิตตามเทรนด์ไลน์แบบทบต้นของกฎหมายฉบับนี้ ปูทางสำหรับระบบปฏิบัติการใหม่ วิดีโอเกม สตรีมวิดีโอ แอปบนอุปกรณ์เคลื่อนที่ และเทคโนโลยีดิจิทัลอื่นๆ ทั้งหมดที่กำหนดวัฒนธรรมสมัยใหม่ของเรา แต่ในขณะที่ความต้องการในการเติบโตนี้ดูเหมือนว่าจะยังคงทรงตัวต่อไปอีกครึ่งศตวรรษ รายงานล่าสุดจาก แผนงานเทคโนโลยีระหว่างประเทศสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ (ITRS)

เป็นเรื่องของฟิสิกส์จริงๆ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังลดขนาดทรานซิสเตอร์ให้เหลือขนาดอะตอม ในไม่ช้าซิลิคอนขนาดจะไม่เหมาะ และยิ่งอุตสาหกรรมนี้พยายามที่จะลดขนาดซิลิกอนให้เกินขีดจำกัดที่เหมาะสม วิวัฒนาการของไมโครชิปแต่ละรายการก็จะยิ่งมีราคาแพงมากขึ้นเท่านั้น

นี่คือที่ที่เราอยู่วันนี้ ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ซิลิกอนจะไม่ใช่วัสดุที่คุ้มราคาอีกต่อไปสำหรับการสร้างไมโครชิปล้ำสมัยรุ่นต่อไป ขีดจำกัดนี้จะบังคับการปฏิวัติทางอิเล็กทรอนิกส์โดยบังคับให้อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ (และสังคม) เลือกระหว่างตัวเลือกสองสามอย่าง:

• ตัวเลือกแรกคือการชะลอหรือยุติการพัฒนาที่มีค่าใช้จ่ายสูงเพื่อย่อขนาดซิลิกอนเพิ่มเติม เพื่อสนับสนุนการหาวิธีใหม่ในการออกแบบไมโครชิปที่สร้างพลังการประมวลผลมากขึ้นโดยไม่ต้องย่อขนาดเพิ่มเติม

• ประการที่สอง ค้นหาวัสดุใหม่ที่สามารถจัดการได้ในระดับที่เล็กกว่าซิลิกอนเพื่อบรรจุทรานซิสเตอร์จำนวนมากขึ้นในไมโครชิปที่มีความหนาแน่นมากขึ้น

• ประการที่สาม แทนที่จะมุ่งเน้นไปที่การลดขนาดหรือการปรับปรุงการใช้พลังงาน ให้เน้นที่ความเร็วของการประมวลผลผ่านการสร้างโปรเซสเซอร์ที่เชี่ยวชาญเฉพาะสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะ ซึ่งอาจหมายถึงแทนที่จะมีชิปทั่วไปเพียงตัวเดียว คอมพิวเตอร์ในอนาคตอาจมีกลุ่มของชิปเฉพาะทาง ตัวอย่าง ได้แก่ ชิปกราฟิกที่ใช้ปรับปรุงวิดีโอเกมให้ บทนำของ Google ของชิป Tensor Processing Unit (TPU) ที่เชี่ยวชาญด้านแอปพลิเคชันการเรียนรู้ของเครื่อง

• สุดท้าย ออกแบบซอฟต์แวร์ใหม่และโครงสร้างพื้นฐานระบบคลาวด์ที่สามารถทำงานได้เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยไม่ต้องใช้ไมโครชิปที่หนาแน่นขึ้น/เล็กลง

อุตสาหกรรมเทคโนโลยีของเราจะเลือกตัวเลือกใด ตามความเป็นจริง: ทั้งหมด

เส้นชีวิตสำหรับกฎของมัวร์

รายการต่อไปนี้เป็นภาพรวมคร่าวๆ เกี่ยวกับนวัตกรรมระยะใกล้และระยะยาวที่คู่แข่งในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์จะใช้เพื่อรักษากฎของมัวร์ให้คงอยู่ ส่วนนี้ค่อนข้างหนาแน่น แต่เราจะพยายามทำให้อ่านได้

วัสดุนาโน. บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำอย่าง Intel ได้ประกาศแล้วว่าจะทำ ซิลิโคนหยด เมื่อพวกเขาไปถึงระดับย่อขนาดเจ็ดนาโนเมตร (7 นาโนเมตร) ผู้สมัครที่จะเปลี่ยนซิลิคอน ได้แก่ อินเดียมแอนติโมไนด์ (InSb), อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (InGaAs) และซิลิกอนเจอร์เมเนียม (SiGe) แต่วัสดุที่ได้รับความตื่นเต้นมากที่สุดดูเหมือนจะเป็นท่อนาโนคาร์บอน แกรไฟต์ซึ่งเป็นวัสดุประกอบของวัสดุมหัศจรรย์ กราฟีน หลอดนาโนคาร์บอนสามารถทำให้อะตอมหนา นำไฟฟ้าได้มาก และคาดว่าจะทำให้ไมโครชิปในอนาคตเร็วขึ้นถึงห้าเท่าภายในปี 2020

คอมพิวเตอร์ออปติคอล. หนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการออกแบบชิปคือการทำให้แน่ใจว่าอิเล็กตรอนจะไม่ข้ามจากทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง ซึ่งเป็นการพิจารณาที่ยากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อคุณเข้าสู่ระดับอะตอม เทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ของคอมพิวเตอร์ออปติคัลดูเหมือนว่าจะแทนที่อิเล็กตรอนด้วยโฟตอนโดยที่แสง (ไม่ใช่ไฟฟ้า) จะถูกส่งผ่านจากทรานซิสเตอร์ไปยังทรานซิสเตอร์ ใน 2017นักวิจัยได้ก้าวไปสู่เป้าหมายนี้โดยแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการจัดเก็บข้อมูลตามแสง (โฟตอน) เป็นคลื่นเสียงบนชิปคอมพิวเตอร์ ด้วยวิธีการนี้ ไมโครชิปสามารถทำงานได้ใกล้ความเร็วแสงภายในปี 2025

สปินโทรนิคส์. กว่าสองทศวรรษในการพัฒนา ทรานซิสเตอร์ spintronic พยายามใช้ 'การหมุน' ของอิเล็กตรอนแทนการประจุเพื่อแสดงข้อมูล ในขณะที่ยังห่างไกลจากการค้าขาย หากแก้ไขได้ ทรานซิสเตอร์รูปแบบนี้จะต้องใช้พลังงานเพียง 10-20 มิลลิโวลต์ในการทำงาน ซึ่งเล็กกว่าทรานซิสเตอร์ทั่วไปหลายร้อยเท่า สิ่งนี้จะช่วยขจัดปัญหาเรื่องความร้อนสูงเกินไปที่บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ต้องเผชิญเมื่อผลิตชิปที่มีขนาดเล็กลง

Neuromorphic computing และ memristors. แนวทางใหม่อีกวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหาวิกฤตการประมวลผลที่กำลังจะเกิดขึ้นนี้อยู่ในสมองของมนุษย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิจัยจาก IBM และ DARPA กำลังเป็นผู้นำในการพัฒนาไมโครชิปรูปแบบใหม่ ซึ่งเป็นชิปที่มีวงจรรวมที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อเลียนแบบวิธีการคำนวณแบบกระจายศูนย์และไม่เชิงเส้นมากขึ้นของสมอง (ตรวจสอบสิ่งนี้ บทความ ScienceBlogs เพื่อให้เข้าใจถึงความแตกต่างระหว่างสมองของมนุษย์กับคอมพิวเตอร์ได้ดีขึ้น) ผลการวิจัยในช่วงแรกบ่งชี้ว่าชิปที่เลียนแบบสมองไม่เพียงแต่มีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเท่านั้น แต่ยังทำงานโดยใช้กำลังไฟที่น้อยกว่าไมโครชิปในปัจจุบันอย่างเหลือเชื่อ

เมื่อใช้วิธีการสร้างแบบจำลองสมองแบบเดียวกันนี้ ตัวทรานซิสเตอร์เอง ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของไมโครชิปในคอมพิวเตอร์ของคุณ อาจถูกแทนที่ด้วย memristor ในไม่ช้า เมื่อเข้าสู่ยุค "ไอออนิก" memristor มีข้อดีที่น่าสนใจกว่าทรานซิสเตอร์แบบเดิมหลายประการ:

• ประการแรก memristors สามารถจดจำการไหลของอิเล็กตรอนที่ไหลผ่านได้ แม้ว่าจะตัดไฟก็ตาม แปลว่า วันหนึ่งคุณสามารถเปิดคอมพิวเตอร์ด้วยความเร็วเท่ากับหลอดไฟ

• ทรานซิสเตอร์เป็นเลขฐานสอง ไม่ว่าจะเป็น 1 วินาทีหรือ 0 วินาที ในขณะเดียวกัน Memristors สามารถมีสถานะได้หลากหลายระหว่างสุดขั้ว เช่น 0.25, 0.5, 0.747 เป็นต้น สิ่งนี้ทำให้ memristors ทำงานคล้ายกับซินแนปส์ในสมองของเรา และนั่นเป็นเรื่องใหญ่เพราะสามารถเปิดขอบเขตของการคำนวณในอนาคต ความเป็นไปได้

• ถัดไป เมมริสเตอร์ไม่ต้องการซิลิคอนในการทำงาน ซึ่งเป็นการเปิดเส้นทางให้อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ทำการทดลองโดยใช้วัสดุใหม่เพื่อลดขนาดไมโครชิปเพิ่มเติม (ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้)

• สุดท้ายนี้ เช่นเดียวกับการค้นพบของ IBM และ DARPA ในการประมวลผลแบบ neuromorphic ไมโครชิปที่ใช้เมมริสเตอร์นั้นเร็วกว่า ใช้พลังงานน้อยกว่า และสามารถเก็บความหนาแน่นของข้อมูลได้สูงกว่าชิปในตลาดปัจจุบัน

ชิป 3 มิติ. ไมโครชิปแบบดั้งเดิมและทรานซิสเตอร์ที่ให้พลังงานทำงานบนระนาบสองมิติที่แบนราบ แต่ในช่วงต้นปี 2010 บริษัทเซมิคอนดักเตอร์เริ่มทำการทดลองโดยเพิ่มมิติที่สามให้กับชิปของตน ทรานซิสเตอร์ใหม่เหล่านี้เรียกว่า 'finFET' มีช่องที่ยื่นออกมาจากพื้นผิวของชิป ทำให้ควบคุมสิ่งที่เกิดขึ้นในช่องสัญญาณได้ดีขึ้น ทำให้วิ่งเร็วขึ้นเกือบ 40% และทำงานโดยใช้พลังงานเพียงครึ่งเดียว อย่างไรก็ตาม ข้อเสียคือชิปเหล่านี้ผลิตได้ยากกว่า (ราคาแพง) อย่างมากในขณะนี้

แต่นอกเหนือจากการออกแบบทรานซิสเตอร์แต่ละตัวใหม่แล้ว อนาคต ชิป 3 มิติ ยังตั้งเป้าที่จะรวมการคำนวณและการจัดเก็บข้อมูลในเลเยอร์ที่ซ้อนกันในแนวตั้ง ขณะนี้ คอมพิวเตอร์แบบเดิมเก็บหน่วยความจำจากตัวประมวลผลเป็นเซนติเมตร แต่ด้วยการรวมหน่วยความจำและส่วนประกอบในการประมวลผล ระยะห่างนี้จะลดลงจากเซนติเมตรเป็นไมโครมิเตอร์ ทำให้สามารถปรับปรุงความเร็วการประมวลผลและการใช้พลังงานได้อย่างมาก

คอมพิวเตอร์ควอนตัม. เมื่อมองไปไกลถึงอนาคต การประมวลผลระดับองค์กรขนาดใหญ่สามารถทำงานภายใต้กฎฟิสิกส์ควอนตัมที่แปลกประหลาด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความสำคัญของการคำนวณประเภทนี้ เราจึงนำเสนอบทของตัวเองที่ส่วนท้ายสุดของซีรีส์นี้

ซุปเปอร์ไมโครชิปไม่ใช่ธุรกิจที่ดี

โอเค สิ่งที่คุณอ่านข้างต้นนั้นดีและดี เรากำลังพูดถึงไมโครชิปที่ประหยัดพลังงานเป็นพิเศษ ซึ่งจำลองตามสมองของมนุษย์ที่สามารถวิ่งด้วยความเร็วแสงได้ แต่สิ่งนี้คือ อุตสาหกรรมการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ไม่ใช่ กระตือรือร้นมากเกินไปที่จะเปลี่ยนแนวคิดเหล่านี้ให้กลายเป็นความจริงที่ผลิตขึ้นเป็นจำนวนมาก

ยักษ์ใหญ่ด้านเทคโนโลยี เช่น Intel, Samsung และ AMD ได้ลงทุนไปแล้วหลายพันล้านดอลลาร์ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาเพื่อผลิตไมโครชิปแบบดั้งเดิมที่ใช้ซิลิกอน การเปลี่ยนไปใช้แนวคิดใหม่ใดๆ ที่กล่าวไว้ข้างต้นจะหมายถึงการยกเลิกการลงทุนเหล่านั้น และใช้เงินมากกว่าพันล้านเพื่อสร้างโรงงานใหม่เพื่อผลิตไมโครชิปรุ่นใหม่จำนวนมากที่มีประวัติการขายเป็นศูนย์

ไม่ใช่แค่การลงทุนเวลาและเงินที่ถือบริษัทเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้กลับคืนมา ความต้องการของผู้บริโภคสำหรับไมโครชิปที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อย ๆ ก็ลดลงเช่นกัน ลองคิดดู: ในช่วงทศวรรษที่ 90 และส่วนใหญ่ของยุค 00 เกือบจะเป็นการแลกเปลี่ยนในคอมพิวเตอร์หรือโทรศัพท์ของคุณ หากไม่เป็นเช่นนั้นทุกปี ให้เปลี่ยนทุกปีเว้นปี สิ่งนี้จะช่วยให้คุณติดตามซอฟต์แวร์และแอพพลิเคชั่นใหม่ ๆ ทั้งหมดที่ออกมาเพื่อทำให้ชีวิตที่บ้านและที่ทำงานของคุณง่ายขึ้นและดีขึ้น ทุกวันนี้ คุณอัพเกรดเดสก์ท็อปหรือแล็ปท็อปรุ่นล่าสุดในตลาดบ่อยแค่ไหน?

เมื่อคุณนึกถึงสมาร์ทโฟน คุณมีสิ่งที่อาจเรียกได้ว่าเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในกระเป๋าเมื่อ 20 ปีที่แล้ว นอกเหนือจากข้อร้องเรียนเกี่ยวกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่และหน่วยความจำแล้ว โทรศัพท์ส่วนใหญ่ที่ซื้อตั้งแต่ปี 2016 นั้นสามารถใช้งานแอพหรือเกมมือถือได้อย่างสมบูรณ์แบบ ในการสตรีมมิวสิกวิดีโอหรือเซสชั่น facetiming ที่ซุกซนด้วย SO ของคุณ หรือสิ่งอื่นใดที่คุณต้องการทำ โทรศัพท์. คุณจำเป็นต้องใช้เงิน 1,000 ดอลลาร์หรือมากกว่าทุกปีเพื่อทำสิ่งเหล่านี้ให้ดีขึ้น 10-15 เปอร์เซ็นต์หรือไม่? คุณจะสังเกตเห็นความแตกต่างหรือไม่?

สำหรับคนส่วนใหญ่ คำตอบคือไม่

อนาคตของกฎของมัวร์

ในอดีต เงินลงทุนส่วนใหญ่ในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์มาจากการใช้จ่ายด้านกลาโหมทางทหาร จากนั้นจึงแทนที่ด้วยผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และภายในปี 2020-2023 การลงทุนชั้นนำในการพัฒนาไมโครชิปเพิ่มเติมจะเปลี่ยนไปอีกครั้ง คราวนี้มาจากอุตสาหกรรมที่เชี่ยวชาญในด้านต่อไปนี้:

• เนื้อหายุคหน้า. การเปิดตัวอุปกรณ์โฮโลแกรม เสมือนจริง และความเป็นจริงเสริมที่กำลังจะเปิดตัวสู่สาธารณชนทั่วไป จะกระตุ้นความต้องการสตรีมข้อมูลให้มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเทคโนโลยีเหล่านี้เติบโตเต็มที่และได้รับความนิยมในช่วงปลายปี 2020

• คอมพิวเตอร์เมฆ. อธิบายในตอนต่อไปของชุดนี้

• ยานพาหนะอิสระ. อธิบายอย่างละเอียดใน .ของเรา อนาคตของการขนส่ง ชุด.

• อินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆ อธิบายไว้ใน .ของเรา อินเทอร์เน็ตของสิ่ง บทที่อยู่ในของเรา อนาคตของอินเทอร์เน็ต ชุด.

• ข้อมูลขนาดใหญ่และการวิเคราะห์. องค์กรที่ต้องการการบีบอัดข้อมูลเป็นประจำ เช่น กองทัพ การสำรวจอวกาศ นักพยากรณ์อากาศ เภสัชภัณฑ์ โลจิสติกส์ ฯลฯ จะยังคงต้องการคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อวิเคราะห์ชุดข้อมูลที่เก็บรวบรวมซึ่งมีการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง

เงินทุนสำหรับการวิจัยและพัฒนาในไมโครชิปรุ่นต่อไปจะมีอยู่เสมอ แต่คำถามก็คือว่าระดับเงินทุนที่จำเป็นสำหรับรูปแบบไมโครโปรเซสเซอร์ที่ซับซ้อนมากขึ้นสามารถรักษาให้ทันกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นของกฎของมัวร์หรือไม่ เมื่อพิจารณาจากค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนมาใช้ไมโครชิปรูปแบบใหม่เชิงพาณิชย์ ประกอบกับความต้องการของผู้บริโภคที่ชะลอตัว งบประมาณของรัฐบาลในอนาคต และภาวะเศรษฐกิจถดถอย มีโอกาสที่กฎของมัวร์จะชะลอตัวหรือหยุดชั่วคราวในช่วงต้นปี 2020 ก่อนที่จะฟื้นตัวในช่วงปลายปี ปี 2020 ต้นปี 2030

สำหรับเหตุผลที่กฎของมัวร์จะเร่งความเร็วอีกครั้ง สมมุติว่าไมโครชิปที่ขับเคลื่อนด้วยเทอร์โบไม่ใช่การปฏิวัติเพียงอย่างเดียวที่จะเกิดขึ้นกับกระบวนการคำนวณ ต่อไปในซีรีส์ Future of Computers เราจะสำรวจแนวโน้มที่กระตุ้นการเติบโตของคลาวด์คอมพิวติ้ง

อนาคตของคอมพิวเตอร์ซีรีส์

อินเทอร์เฟซผู้ใช้ที่เกิดขึ้นใหม่เพื่อกำหนดมนุษยชาติใหม่: อนาคตของคอมพิวเตอร์ P1

อนาคตของการพัฒนาซอฟต์แวร์: อนาคตของคอมพิวเตอร์ P2

การปฏิวัติการจัดเก็บข้อมูลดิจิทัล: อนาคตของคอมพิวเตอร์ P3

คลาวด์คอมพิวติ้งกลายเป็นการกระจายอำนาจ: อนาคตของคอมพิวเตอร์ P5

เหตุใดประเทศต่างๆ จึงแข่งขันกันเพื่อสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุด อนาคตของคอมพิวเตอร์ P6

คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเปลี่ยนโลกอย่างไร: อนาคตของคอมพิวเตอร์ P7