Зникнення закону Мура, що спонукає до фундаментального перегляду мікрочіпів: майбутнє комп’ютерів P4

Комп’ютери — це велика справа. Але щоб по-справжньому оцінити нові тенденції, про які ми натякали в нашій серії «Майбутнє комп’ютерів», нам також потрібно розуміти революції, що стрімко йдуть по конвеєру обчислень, або просто: майбутнє мікрочіпів.

Щоб вийти з основи, ми повинні зрозуміти закон Мура, тепер відомий закон, заснований доктором Гордоном Е. Муром у 1965 році. По суті, те, що Мур зрозумів усі ці десятиліття тому, це те, що кількість транзисторів в інтегральній схемі подвоюється кожні 18-24 місяці. Ось чому той самий комп’ютер, який ви купуєте сьогодні за 1,000 доларів, через два роки коштуватиме вам 500 доларів.

Протягом понад п’ятдесяти років напівпровідникова промисловість дотримувалася трендів цього закону, прокладаючи шлях для нових операційних систем, відеоігор, потокового відео, мобільних програм та будь-якої іншої цифрової технології, яка визначила нашу сучасну культуру. Але хоча попит на це зростання, здається, залишатиметься стабільним ще півстоліття, кремній — основний матеріал, з якого побудовані всі сучасні мікрочіпи — не виглядає таким, що він задовольнить цей попит набагато довше після 2021 року — згідно з даними останній звіт від Міжнародна технологічна дорожня карта для напівпровідників (ITRS)

Це справді фізика: напівпровідникова промисловість скорочує транзистори до атомарного масштабу, масштабний кремній скоро стане непридатним. І чим більше ця індустрія намагатиметься скоротити кремній за оптимальні межі, тим дорожчим стане кожна еволюція мікрочіпа.

Ось де ми сьогодні. Через кілька років кремній перестане бути економічно ефективним матеріалом для створення наступного покоління передових мікрочіпів. Це обмеження призведе до революції в електроніці, змусивши напівпровідникову промисловість (і суспільство) вибирати між кількома варіантами:

• Перший варіант полягає в уповільненні або припиненні дорогих розробок для подальшої мініатюризації кремнію на користь пошуку нових способів розробки мікрочіпів, які генерують більшу обчислювальну потужність без додаткової мініатюризації.

• По-друге, знайдіть нові матеріали, якими можна маніпулювати в набагато менших масштабах, ніж кремній, щоб вставляти ще більшу кількість транзисторів у ще щільніші мікросхеми.

• По-третє, замість того, щоб зосереджуватися на мініатюризації чи покращенні енергоспоживання, зосередьтеся на швидкості обробки шляхом створення процесорів, які спеціалізуються на конкретних випадках використання. Це може означати, що замість одного універсального чіпа майбутні комп’ютери можуть мати кластер спеціалізованих чіпів. Приклади включають графічні мікросхеми, які використовуються для покращення відеоігор Представлення Google чіпа Tensor Processing Unit (TPU), який спеціалізується на програмах машинного навчання.

• Нарешті, розробіть нове програмне забезпечення та хмарну інфраструктуру, яка може працювати швидше та ефективніше, не потребуючи більш щільних/менших мікросхем.

Який варіант обере наша індустрія технологій? Реально: всі.

Рятувальний круг для закону Мура

У наведеному нижче списку є короткий огляд найближчих і довгострокових інновацій, які конкуренти в напівпровідниковій промисловості використовуватимуть для збереження закону Мура. Ця частина трохи щільна, але ми постараємося, щоб вона була читабельною.

наноматеріали. Провідні напівпровідникові компанії, як-от Intel, уже оголосили про це крапля кремнію як тільки вони досягнуть масштабу мініатюризації в сім нанометрів (7 нм). Кандидати на заміну кремнію включають антимонід індію (InSb), арсенід індію-галію (InGaAs) і кремній-германій (SiGe), але матеріалом, який викликає найбільше хвилювання, є вуглецеві нанотрубки. Вуглецеві нанотрубки, виготовлені з графіту, який сам по собі є композицією дивовижного матеріалу, можуть бути зроблені з атомів товщиною, вони надзвичайно провідні та, за оцінками, створять майбутні мікрочіпи до 2020 разів швидші до XNUMX року.

Оптичні обчислення. Однією з найбільших проблем при розробці чіпів є забезпечення того, щоб електрони не перескакували з одного транзистора на інший — міркування, яке стає нескінченно складнішим, коли ви переходите на атомний рівень. Нова технологія оптичних обчислень намагається замінити електрони фотонами, за допомогою яких світло (а не електрика) передається від транзистора до транзистора. У 2017, дослідники зробили величезний крок на шляху до цієї мети, продемонструвавши здатність зберігати світлову інформацію (фотони) у вигляді звукових хвиль на комп’ютерному чіпі. Використовуючи цей підхід, мікрочіпи зможуть працювати зі швидкістю, близькою до світла, до 2025 року.

Спінтроніка. Протягом двох десятиліть розробки спінтронні транзистори намагаються використовувати «спін» електрона замість його заряду для представлення інформації. Незважаючи на те, що до комерціалізації ще далеко, але якщо її вирішити, ця форма транзистора потребуватиме лише 10-20 мілівольт для роботи, що в сотні разів менше, ніж звичайні транзистори; це також усуне проблеми перегріву, з якими стикаються напівпровідникові компанії під час виробництва все менших мікросхем.

Нейроморфне обчислення та мемристори. Ще один новий підхід до розв’язання цієї загрозливої ​​кризи обробки даних лежить у людському мозку. Дослідники з IBM і DARPA, зокрема, ведуть розробку нового виду мікрочіпа — чіпа, інтегральні схеми якого розроблені, щоб імітувати більш децентралізований і нелінійний підхід мозку до обчислень. (Перевірте це Стаття ScienceBlogs Щоб краще зрозуміти різницю між людським мозком і комп’ютерами.) Перші результати показують, що чіпи, які імітують мозок, не тільки значно ефективніші, але й працюють, споживаючи неймовірно меншу потужність, ніж сучасні мікрочіпи.

Використовуючи той самий підхід до моделювання мозку, сам транзистор, прославлений будівельний блок мікрочіпа вашого комп’ютера, незабаром може бути замінений на мемристор. Відкриваючи еру «іоніки», мемристор пропонує низку цікавих переваг перед традиційним транзистором:

• По-перше, мемристори можуть запам’ятовувати потік електронів, що проходить через них, навіть якщо припиняється живлення. У перекладі це означає, що одного дня ви зможете ввімкнути свій комп’ютер із тією ж швидкістю, що й лампочка.

• Транзистори двійкові, або 1s, або 0s. Мемристори, тим часом, можуть мати різноманітні стани між цими крайніми значеннями, як-от 0.25, 0.5, 0.747 тощо. Це робить мемристори подібними до синапсів у нашому мозку, і це дуже важливо, оскільки це може відкрити діапазон майбутніх обчислень можливості.

• Крім того, мемристорам не потрібен кремній для функціонування, що відкриває шлях для напівпровідникової промисловості для експериментів із використанням нових матеріалів для подальшої мініатюризації мікрочіпів (як описано раніше).

• Нарешті, подібно до висновків IBM і DARPA щодо нейроморфних обчислень, мікрочіпи на основі мемристорів є швидшими, споживають менше енергії та можуть зберігати вищу щільність інформації, ніж мікросхеми, які зараз є на ринку.

3D фішки. Традиційні мікрочіпи та транзистори, які їх живлять, працюють на плоскій двовимірній площині, але на початку 2010-х років напівпровідникові компанії почали експериментувати з додаванням третього виміру своїм чіпам. Ці нові транзистори під назвою «finFET» мають канал, який виступає з поверхні чіпа, що дає їм кращий контроль над тим, що відбувається в їхніх каналах, дозволяючи їм працювати майже на 40 відсотків швидше та використовувати вдвічі менше енергії. Недоліком, однак, є те, що ці мікросхеми наразі значно складніше (дорожче) виробляти.

Але поза переробкою окремих транзисторів майбутнє 3D фішки також прагнуть поєднати обчислення та зберігання даних у вертикально розташованих шарах. Зараз традиційні комп’ютери розміщують свої карти пам’яті в сантиметрах від процесора. Але завдяки інтеграції пам’яті та процесорних компонентів ця відстань зменшується з сантиметрів до мікрометрів, що дозволяє значно підвищити швидкість обробки та споживання енергії.

Квантові обчислення. Дивлячись у майбутнє, велика частина обчислювальної техніки корпоративного рівня може працювати за химерними законами квантової фізики. Однак через важливість такого роду обчислень ми дали йому окремий розділ у самому кінці цієї серії.

Супермікрочіпи - це поганий бізнес

Гаразд, те, що ви прочитали вище, все добре і добре — ми говоримо про наденергоефективні мікросхеми, створені за моделлю людського мозку, які можуть працювати зі швидкістю світла, але справа в тому, що промисловість виробництва напівпровідникових мікросхем не надмірно прагнуть перетворити ці концепції на реальність масового виробництва.

Такі технічні гіганти, як Intel, Samsung і AMD, вже інвестували мільярди доларів протягом десятиліть у виробництво традиційних кремнієвих мікрочіпів. Перехід до будь-якої із зазначених вище нових концепцій означав би скасування цих інвестицій і витрати мільярдів на будівництво нових заводів для масового виробництва нових моделей мікрочіпів, які мають нульовий послужний список продажів.

Ці напівпровідникові компанії стримують не лише витрати часу та грошей. Споживчий попит на все більш потужні мікрочіпи також падає. Подумайте про це: протягом 90-х і більшої частини 00-х років було майже само собою зрозумілим, що ви обмінювали свій комп’ютер або телефон якщо не щороку, то через рік. Це дозволить вам бути в курсі всіх нових програм і додатків, які з’являються, щоб зробити ваше домашнє та робоче життя легшим і кращим. Сьогодні як часто ви переходите на останню модель настільного або ноутбука на ринку?

Коли ви думаєте про свій смартфон, у вас в кишені те, що всього 20 років тому вважалося суперкомп’ютером. Крім скарг на час автономної роботи та пам’ять, більшість телефонів, куплених з 2016 року, цілком здатні запускати будь-яку програму чи мобільну гру, транслювати будь-яке музичне відео чи неслухняний сеанс Facetiming за допомогою SO або майже все, що ви хотіли б робити на своєму телефон. Вам справді потрібно витрачати 1,000 доларів або більше щороку, щоб робити ці речі на 10-15 відсотків краще? Ви б навіть помітили різницю?

Для більшості людей відповідь – ні.

Майбутнє закону Мура

У минулому більшість інвестицій у напівпровідникові технології надходили від витрат на військову оборону. Потім її замінили виробники побутової електроніки, і до 2020-2023 років провідні інвестиції в подальшу розробку мікрочіпів знову перемістяться, цього разу з галузей, що спеціалізуються на наступному:

• Контент наступного покоління. Майбутнє впровадження голографічних пристроїв, пристроїв віртуальної реальності та пристроїв доповненої реальності для широкого загалу підштовхне більший попит на потокове передавання даних, особливо в міру того, як ці технології розвиваються та набирають популярності наприкінці 2020-х років.

• Хмарні обчислення. Пояснення в наступній частині цієї серії.

• Автономні транспортні засоби. Докладно пояснено в нашому Майбутнє транспорту серії.

• Інтернет речей. Пояснено в нашому Інтернет речей розділ у нашому Майбутнє Інтернету серії.

• Великі дані та аналітика. Організації, які потребують регулярної обробки даних (наприклад, військові, дослідження космосу, прогнози погоди, фармацевтика, логістика тощо), продовжуватимуть вимагати дедалі потужніших комп’ютерів для аналізу їхніх наборів зібраних даних, що постійно розширюються.

Фінансування досліджень і розробок мікрочіпів наступного покоління існуватиме завжди, але питання полягає в тому, чи зможе рівень фінансування, необхідний для більш складних форм мікропроцесорів, відповідати вимогам закону Мура щодо зростання. Враховуючи витрати на перехід і комерціалізацію нових форм мікрочіпів у поєднанні з уповільненням споживчого попиту, майбутнім скороченням державного бюджету та економічною рецесією, є ймовірність того, що закон Мура сповільниться або ненадовго припиниться на початку 2020-х років, а потім повернеться до кінця 2020-ті, початок 2030-х років.

Щодо того, чому закон Мура знову набере обертів, ну, давайте просто скажемо, що мікрочіпи з турбонаддувом — не єдина революція, яка відбувається в обчислювальному конвеєрі. Далі в нашій серії «Майбутнє комп’ютерів» ми дослідимо тенденції, що сприяють розвитку хмарних обчислень.

Серія "Майбутнє комп'ютерів".

Нові інтерфейси користувача для нового визначення людства: майбутнє комп’ютерів P1

Майбутнє розробки програмного забезпечення: Майбутнє комп'ютерів P2

Революція цифрових сховищ: майбутнє комп’ютерів P3

Хмарні обчислення стають децентралізованими: майбутнє комп’ютерів P5

Чому країни змагаються за створення найбільших суперкомп’ютерів? Майбутнє комп'ютерів P6

Як квантові комп’ютери змінять світ: майбутнє комп’ютерів P7