Kuantumrun

GÖRÜNTÜ KREDİSİ: Kuantumrun

Mikroçiplerin temelden yeniden düşünülmesini tetikleyen solan bir Moore Yasası: Bilgisayarların Geleceği P4

David Tal, Yayıncı, Fütürist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Salı, 09/15/2020 - 15:39

Bilgisayarlar - onlar çok önemli. Ancak, Bilgisayarların Geleceği serimizde şu ana kadar ima ettiğimiz yükselen trendleri gerçekten takdir etmek için, hesaplama hattında hızla ilerleyen devrimleri veya basitçe: mikroçiplerin geleceğini anlamamız gerekiyor.

Temel bilgileri yoldan çıkarmak için, şimdi ünlü Dr. Gordon E. Moore'un 1965'te kurduğu yasa olan Moore Yasasını anlamalıyız. Esasen, Moore'un on yıllar önce fark ettiği şey, entegre bir devredeki transistörlerin sayısının iki katına çıktığıdır. her 18 ila 24 ayda bir. Bu nedenle, bugün 1,000 dolara satın aldığınız aynı bilgisayar, iki yıl sonra size 500 dolara mal olacak.

Elli yılı aşkın bir süredir yarı iletken endüstrisi, bu yasanın bileşik trend çizgisine ayak uydurarak yeni işletim sistemleri, video oyunları, video akışı, mobil uygulamalar ve modern kültürümüzü tanımlayan diğer tüm dijital teknolojilerin yolunu açtı. Ancak bu büyümeye olan talep bir yarım yüzyıl daha sabit kalacak gibi görünse de, tüm modern mikroçiplerin yapıldığı ana kaya malzemesi olan silikon, 2021'den çok daha uzun bir süre boyunca bu talebi karşılayacak gibi görünmüyor. gelen son rapor Yarı İletkenler için Uluslararası Teknoloji Yol Haritası (ITRS)

Gerçekte fizik: yarı iletken endüstrisi, transistörleri atomik ölçeğe küçültüyor, bir ölçek silikonu yakında uygun olmayacak. Ve bu endüstri, silikonu optimal sınırlarının ötesine ne kadar küçültmeye çalışırsa, her bir mikroçip evrimi o kadar pahalı hale gelecektir.

Bugün geldiğimiz nokta bu. Birkaç yıl içinde silikon, yeni nesil son teknoloji mikroçipleri oluşturmak için artık uygun maliyetli bir malzeme olmayacak. Bu sınır, yarı iletken endüstrisini (ve toplumu) birkaç seçenek arasında seçim yapmaya zorlayarak elektronikte bir devrimi zorlayacaktır:

İlk seçenek, ek minyatürleştirme olmadan daha fazla işlem gücü üreten mikroçipler tasarlamak için yeni yollar bulma lehine silikonu daha da minyatürleştirmek için maliyetli geliştirmeyi yavaşlatmak veya sona erdirmektir.
İkincisi, daha da fazla sayıda transistörü daha da yoğun mikroçiplere doldurmak için silikondan çok daha küçük ölçeklerde manipüle edilebilecek yeni malzemeler bulun.
Üçüncüsü, minyatürleştirme veya güç kullanımı iyileştirmelerine odaklanmak yerine, belirli kullanım durumları için özelleştirilmiş işlemciler oluşturarak işleme hızına yeniden odaklanın. Bu, bir genel çip yerine, gelecekteki bilgisayarların bir dizi özel çipe sahip olabileceği anlamına gelebilir. Örnekler, video oyunlarını geliştirmek için kullanılan grafik yongalarını içerir. Google'ın tanıtımı makine öğrenimi uygulamalarında uzmanlaşmış Tensör İşleme Birimi (TPU) çipinin.
Son olarak, daha yoğun/daha küçük mikroçiplere ihtiyaç duymadan daha hızlı ve daha verimli çalışabilen yeni yazılım ve bulut altyapısı tasarlayın.

Teknoloji endüstrimiz hangi seçeneği seçecek? Gerçekçi: hepsi.

Moore Yasası için yaşam çizgisi

Aşağıdaki liste, yarı iletken endüstrisindeki rakiplerin Moore Yasasını canlı tutmak için kullanacakları yakın ve uzun vadeli yeniliklere kısa bir bakıştır. Bu kısım biraz yoğun, ama biz onu okunabilir tutmaya çalışacağız.

Nanomalzemeler. Intel gibi önde gelen yarı iletken şirketleri şimdiden yapacaklarını duyurdular. damla silikon yedi nanometre (7nm) minyatürleştirme ölçeklerine ulaştıklarında. Silikonun yerini alacak adaylar arasında indiyum antimonit (InSb), indiyum galyum arsenit (InGaAs) ve silikon-germanyum (SiGe) sayılabilir, ancak en çok heyecanlanan malzeme karbon nanotüpler gibi görünüyor. Grafitten yapılmış - kendisi de harika bir malzeme olan grafenin bir kompozit yığını - karbon nanotüpler atom kalınlığında yapılabilir, son derece iletkendir ve 2020 yılına kadar gelecekteki mikroçipleri beş kata kadar daha hızlı hale getirmesi tahmin edilmektedir.

optik bilgi işlem. Çip tasarlamanın en büyük zorluklarından biri, elektronların bir transistörden diğerine atlamamasını sağlamaktır - atomik seviyeye girdiğinizde sonsuz derecede zorlaşan bir husus. Ortaya çıkan optik hesaplama teknolojisi, elektronları fotonlarla değiştirmeye çalışıyor, bu sayede ışık (elektrik değil) transistörden transistöre geçiyor. 2017 içinde, araştırmacılar, bir bilgisayar çipinde ışık temelli bilgileri (fotonlar) ses dalgaları olarak saklama yeteneğini göstererek bu hedefe doğru dev bir adım attılar. Bu yaklaşımı kullanarak, mikroçipler 2025 yılına kadar ışık hızına yakın bir hızda çalışabilir.

Spintronik. Gelişimde yirmi yılı aşkın bir süredir, spintronik transistörler, bilgiyi temsil etmek için yükü yerine bir elektronun 'dönüşünü' kullanmaya çalışır. Hala ticarileştirmeden çok uzakta olsa da, eğer çözülürse, bu transistör formunun çalışması için sadece 10-20 milivolta ihtiyacı olacak, geleneksel transistörlerden yüzlerce kat daha küçük; bu aynı zamanda yarı iletken şirketlerin giderek daha küçük yongalar üretirken karşılaştıkları aşırı ısınma sorunlarını da ortadan kaldıracaktır.

Nöromorfik hesaplama ve memristörler. Bu başgösteren işleme krizini çözmeye yönelik bir başka yeni yaklaşım da insan beyninde yatmaktadır. Özellikle IBM ve DARPA'daki araştırmacılar, yeni bir tür mikroçipin - tümleşik devreleri beynin daha merkezi olmayan ve doğrusal olmayan bilgisayar yaklaşımını taklit etmek için tasarlanmış bir çip - geliştirilmesine öncülük ediyor. (Bunu kontrol et BilimBlogları makalesi İnsan beyni ve bilgisayarlar arasındaki farkları daha iyi anlamak için.) İlk sonuçlar, beyni taklit eden çiplerin yalnızca önemli ölçüde daha verimli olmakla kalmayıp, günümüzün mikroçiplerinden inanılmaz derecede daha az watt kullanarak çalıştıklarını gösteriyor.

Aynı beyin modelleme yaklaşımını kullanarak, bilgisayarınızın mikroçipinin meşhur yapı taşı olan transistörün kendisi yakında memristör ile değiştirilebilir. "İyonikler" çağını başlatan bir memristör, geleneksel transistöre göre bir dizi ilginç avantaj sunar:

İlk olarak, memristörler, güç kesilse bile, içlerinden geçen elektron akışını hatırlayabilirler. Bu, bir gün bilgisayarınızı ampulünüzle aynı hızda açabileceğiniz anlamına gelir.
Transistörler, 1'ler veya 0'lar olmak üzere ikilidir. Bu arada, memristörler, 0.25, 0.5, 0.747, vb. gibi bu uçlar arasında çeşitli durumlara sahip olabilir. Bu, memristörlerin beynimizdeki sinapslara benzer şekilde çalışmasını sağlar ve bu, bir dizi gelecekteki hesaplamayı açabileceği için büyük bir meseledir. olasılıklar.
Daha sonra, memristörlerin çalışması için silikona ihtiyaç duymaz, bu da yarı iletken endüstrisinin mikroçipleri daha da minyatürleştirmek için yeni malzemeler kullanarak denemeler yapmasının yolunu açar (daha önce belirtildiği gibi).
Son olarak, IBM ve DARPA tarafından nöromorfik hesaplamada yapılan bulgulara benzer şekilde, memristörlere dayalı mikroçipler daha hızlıdır, daha az enerji kullanır ve şu anda piyasada bulunan çiplerden daha yüksek bilgi yoğunluğuna sahip olabilir.

3D çipler. Geleneksel mikroçipler ve onlara güç sağlayan transistörler düz, iki boyutlu bir düzlemde çalışır, ancak 2010'ların başında yarı iletken şirketler çiplerine üçüncü bir boyut eklemeyi denemeye başladılar. 'finFET' olarak adlandırılan bu yeni transistörler, çipin yüzeyinden yukarı doğru uzanan ve kanallarında olup bitenler üzerinde daha iyi kontrol sağlayan, neredeyse yüzde 40 daha hızlı çalışmasına ve yarı enerji kullanarak çalışmasına olanak tanıyan bir kanala sahip. Ancak dezavantajı, bu yongaların şu anda üretilmesinin önemli ölçüde daha zor (maliyetli) olmasıdır.

Ancak bireysel transistörleri yeniden tasarlamanın ötesinde, gelecek 3D çipler ayrıca bilgisayar ve veri depolamayı dikey olarak yığılmış katmanlarda birleştirmeyi de hedefliyor. Şu anda, geleneksel bilgisayarlar bellek çubuklarını işlemcisinden santimetre uzakta barındırıyor. Ancak bellek ve işlem bileşenlerini entegre ederek, bu mesafe santimetreden mikrometreye düşerek işlem hızlarında ve enerji tüketiminde büyük bir gelişme sağlar.

Kuantum hesaplama. Geleceğe daha yakından bakıldığında, kurumsal düzeydeki büyük bir bilgi işlem yığını, kuantum fiziğinin tuhaf yasaları altında çalışabilir. Ancak, bu tür bir hesaplamanın önemi nedeniyle, bu dizinin en sonunda ona kendi bölümünü verdik.

Süper mikroçipler iyi bir iş değil

Tamam, yukarıda okuduklarınız iyi ve güzel - insan beyninden sonra modellenen ve ışık hızında çalışabilen ultra enerji verimli mikroçiplerden bahsediyoruz - ama mesele şu ki, yarı iletken çip yapım endüstrisi bu kavramları seri üretim bir gerçekliğe dönüştürmek için fazlasıyla hevesli.

Intel, Samsung ve AMD gibi teknoloji devleri, geleneksel, silikon tabanlı mikroçipler üretmek için on yıllardır milyarlarca dolar yatırım yaptı. Yukarıda belirtilen yeni kavramlardan herhangi birine geçmek, bu yatırımları rafa kaldırmak ve satış sicili sıfır olan yeni mikroçip modellerini seri üretmek için yeni fabrikalar inşa etmek için milyarlarca daha fazla harcamak anlamına gelir.

Bu yarı iletken şirketleri geride tutan sadece zaman ve para yatırımı değil. Her zamankinden daha güçlü mikroçiplere yönelik tüketici talebi de azalmakta. Bir düşünün: 90'larda ve 00'lerin çoğunda, her yıl olmasa da iki yılda bir bilgisayarınızda veya telefonunuzda ticaret yapacağınız neredeyse kesindi. Bu, ev ve iş hayatınızı daha kolay ve daha iyi hale getirmek için ortaya çıkan tüm yeni yazılım ve uygulamalara ayak uydurmanızı sağlar. Bu günlerde, piyasadaki en son masaüstü veya dizüstü bilgisayar modeline ne sıklıkla yükseltme yapıyorsunuz?

Akıllı telefonunuzu düşündüğünüzde, sadece 20 yıl önce bir süper bilgisayar olarak kabul edilen şey cebinizdedir. Pil ömrü ve bellekle ilgili şikayetlerin yanı sıra, 2016'dan beri satın alınan çoğu telefon, herhangi bir uygulamayı veya mobil oyunu çalıştırabilir, herhangi bir müzik videosunu veya SO'nuzla yaramaz yüz zamanlama oturumunu veya yapmak istediğiniz diğer birçok şeyi mükemmel bir şekilde çalıştırabilir. telefon. Bu şeyleri yüzde 1,000-10 daha iyi yapmak için gerçekten her yıl 15 $ veya daha fazla harcamanız gerekiyor mu? Farkı bile fark eder miydin?

Çoğu insan için cevap hayır.

Moore Yasasının geleceği

Geçmişte, yarı iletken teknolojisine yapılan yatırımların çoğu askeri savunma harcamalarından geliyordu. Daha sonra tüketici elektroniği üreticileri tarafından değiştirildi ve 2020-2023 yılına kadar, daha fazla mikroçip geliştirmeye yönelik önde gelen yatırımlar, bu kez aşağıdaki alanlarda uzmanlaşmış endüstrilerden yeniden kayacak:

Yeni Nesil içerik. Holografik, sanal ve artırılmış gerçeklik cihazlarının genel halka yakında tanıtılması, özellikle bu teknolojiler 2020'lerin sonlarında olgunlaştıkça ve popülaritesi arttıkça, veri akışı için daha büyük bir talebi teşvik edecektir.
Cloud computing. Bu serinin sonraki bölümünde açıklanmıştır.
Otonom araçlar. Makalemizde ayrıntılı olarak açıklanmıştır Ulaşımın Geleceği serisi.
Nesnelerin interneti. Açıklamamız Şeylerin İnternet bizim bölüm İnternetin Geleceği serisi.
Büyük veri ve analitik. Düzenli veri toplamaya ihtiyaç duyan kuruluşlar (askeri, uzay araştırmaları, hava tahmincileri, ilaçlar, lojistik vb. gibi) sürekli genişleyen toplanmış veri kümelerini analiz etmek için giderek daha güçlü bilgisayarlar talep etmeye devam edecek.

Yeni nesil mikroçiplere yönelik Ar-Ge finansmanı her zaman var olacaktır, ancak soru, daha karmaşık mikroişlemci biçimleri için ihtiyaç duyulan finansman seviyesinin Moore Yasasının büyüme taleplerini karşılayıp karşılayamayacağıdır. Yavaşlayan tüketici talebi, gelecekteki hükümet bütçe sıkışıklıkları ve ekonomik durgunluklarla birleştiğinde, yeni mikroçip biçimlerine geçmenin ve bunları ticarileştirmenin maliyeti göz önüne alındığında, Moore Yasası'nın 2020'lerin başlarında, geç döneme kadar tekrar toparlanmadan önce, kısa bir süre için yavaşlaması veya durması ihtimali var. 2020'ler, 2030'ların başı.

Moore Yasası'nın neden tekrar hız kazanacağına gelince, diyelim ki turbo-güçlü mikroçipler, bilgi işlem hattından gelen tek devrim değil. Geleceğin Bilgisayarları serimizin bir sonraki bölümünde, bulut bilişimin büyümesini hızlandıran trendleri keşfedeceğiz.