Quantumrun

TASVIR KREDIT: Quantumrun

Mikrochiplarni tubdan qayta ko'rib chiqishga turtki bo'lgan Mur qonuni: kompyuterlarning kelajagi P4

Devid Tal, nashriyotchi, futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Seshanba, 09 - 15:2020

Kompyuterlar - bu juda katta ish. Ammo “Kompyuterlar kelajagi” turkumida hozirgacha ishora qilgan rivojlanayotgan tendentsiyalarni chinakamiga qadrlash uchun biz hisoblash quvuri inqiloblarini yoki oddiygina: mikrochiplarning kelajagi haqida ham tushunishimiz kerak.

Asosiy ma'lumotlarni olish uchun biz Mur qonunini, doktor Gordon E. Mur 1965 yilda asos solgan hozirgi mashhur qonunni tushunishimiz kerak. Asosan, Mur o'nlab yillar oldin tushungan narsa shundaki, integral mikrosxemadagi tranzistorlar soni ikki baravar ko'payadi. har 18-24 oyda. Shu sababli bugun 1,000 dollarga sotib olgan kompyuteringiz ikki yildan keyin 500 dollarga tushadi.

Ellik yildan ortiq vaqt davomida yarimo‘tkazgichlar sanoati ushbu qonunning murakkab tendentsiya chizig‘iga mos ravishda yashab, yangi operatsion tizimlar, video o‘yinlar, oqimli videolar, mobil ilovalar va zamonaviy madaniyatimizni belgilab bergan boshqa har qanday raqamli texnologiyalarga yo‘l ochdi. Biroq, bu o'sishga bo'lgan talab yana yarim asr davomida barqaror bo'lib qoladigandek ko'rinsa-da, kremniy - barcha zamonaviy mikrochiplar asosida qurilgan - bu talabni 2021 yildan ancha uzoq vaqt qondira olmaydi - ko'ra. dan oxirgi hisobot Yarimo'tkazgichlar uchun xalqaro texnologiya yo'l xaritasi (ITRS)

Bu haqiqatan ham fizika: yarimo'tkazgich sanoati tranzistorlarni atom shkalasiga qisqartirmoqda, masshtabli kremniy tez orada yaroqsiz bo'ladi. Va bu sanoat kremniyni optimal chegaralaridan oshib ketishga qanchalik ko'p harakat qilsa, har bir mikrochip evolyutsiyasi shunchalik qimmatga tushadi.

Bugun biz shu yerdamiz. Bir necha yil ichida silikon yangi avlod mikrochiplarini yaratish uchun tejamkor material bo'lmaydi. Ushbu chegara yarimo'tkazgich sanoatini (va jamiyatni) bir nechta variantlardan birini tanlashga majburlash orqali elektronikada inqilobga majbur qiladi:

Birinchi variant - qo'shimcha miniatyurasiz ko'proq ishlov berish quvvatini ishlab chiqaradigan mikrochiplarni loyihalashning yangi usullarini topish foydasiga kremniyni yanada miniatyura qilish uchun qimmat ishlab chiqarishni sekinlashtirish yoki tugatish.
Ikkinchidan, ko'proq tranzistorlarni yanada zichroq mikrochiplarga to'ldirish uchun kremniyga qaraganda ancha kichikroq miqyosda boshqarilishi mumkin bo'lgan yangi materiallarni toping.
Uchinchidan, miniatyuralashtirish yoki quvvat sarfini yaxshilashga e'tibor qaratish o'rniga, muayyan foydalanish holatlari uchun ixtisoslashgan protsessorlarni yaratish orqali qayta ishlash tezligiga e'tibor qarating. Bu bitta umumiy chipga ega bo'lish o'rniga, kelajakdagi kompyuterlar maxsus chiplar klasteriga ega bo'lishi mumkinligini anglatishi mumkin. Misollar, video o'yinlarni yaxshilash uchun ishlatiladigan grafik chiplarni o'z ichiga oladi Google taqdimoti mashinani o'rganish ilovalariga ixtisoslashgan Tensor Processing Unit (TPU) chipining.
Nihoyat, zichroq/kichikroq mikrochiplarga ehtiyoj sezmasdan tezroq va samaraliroq ishlay oladigan yangi dasturiy ta'minot va bulutli infratuzilmani loyihalash.

Bizning texnologiya sanoatimiz qaysi variantni tanlaydi? Haqiqiy: ularning barchasi.

Mur qonuni uchun hayot chizig'i

Quyidagi ro'yxat yarimo'tkazgich sanoatidagi raqobatchilar Mur qonunini saqlab qolish uchun foydalanadigan yaqin va uzoq muddatli innovatsiyalarga qisqacha qarashdir. Bu qism biroz zich, lekin biz uni o'qish uchun qulay saqlashga harakat qilamiz.

Nanomateriallar. Intel kabi etakchi yarimo'tkazgich kompaniyalari allaqachon e'lon qilishgan silikon tushiring yetti nanometr (7nm) miniatyura shkalasiga erishgandan so'ng. Kremniyni almashtirishga nomzodlar orasida indiy antimonid (InSb), indiy galliy arsenid (InGaAs) va kremniy-germaniy (SiGe) mavjud, ammo eng ko'p hayajonlanayotgan material uglerod nanotubalari kabi ko'rinadi. Grafitdan yasalgan - o'zi ham ajoyib material, grafen - uglerod nanotubalari atomlarni qalin qilib qo'yishi mumkin, juda o'tkazuvchan va kelajakdagi mikrochiplarni 2020 yilga kelib besh baravar tezroq ishlab chiqarishi taxmin qilinmoqda.

Optik hisoblash. Chiplarni loyihalashdagi eng katta muammolardan biri bu elektronlar bir tranzistordan ikkinchisiga o'tib ketmasligini ta'minlashdir - atom darajasiga kirganingizdan so'ng bu juda qiyinlashadi. Rivojlanayotgan optik hisoblash texnologiyasi elektronlarni fotonlar bilan almashtirishga o'xshaydi, bu orqali yorug'lik (elektr emas) tranzistordan tranzistorga o'tadi. 2017 yilda, tadqiqotchilar yorug'likka asoslangan ma'lumotni (fotonlarni) tovush to'lqinlari sifatida kompyuter chipida saqlash qobiliyatini namoyish qilib, bu maqsad sari ulkan qadam tashladilar. Ushbu yondashuvdan foydalangan holda, mikrochiplar 2025 yilga kelib yorug'lik tezligiga yaqin ishlashi mumkin.

Spintronika. Yigirma yil davomida ishlab chiqilgan spintronik tranzistorlar ma'lumotni ifodalash uchun elektronning zaryad o'rniga "aylanishi" dan foydalanishga harakat qilmoqda. Tijoriylashtirishdan hali uzoq yo'l bo'lsa-da, agar hal qilinsa, tranzistorning bu shakli ishlashi uchun faqat 10-20 millivolt kerak bo'ladi, bu an'anaviy tranzistorlardan yuzlab marta kichikroq; Bu, shuningdek, kichikroq chiplarni ishlab chiqarishda yarimo'tkazgich kompaniyalari duch keladigan qizib ketish muammolarini ham bartaraf qiladi.

Neyromorfik hisoblash va memristorlar. Ushbu yaqinlashib kelayotgan qayta ishlash inqirozini hal qilishning yana bir yangi yondashuvi inson miyasida yotadi. IBM va DARPA tadqiqotchilari, xususan, mikrochipning yangi turi — integral mikrosxemalar miyaning markazlashmagan va chiziqli bo‘lmagan hisoblash usullariga taqlid qilish uchun mo‘ljallangan chipni ishlab chiqishda yetakchilik qilmoqda. (Buni tekshiring ScienceBlogs maqolasi Inson miyasi va kompyuterlar o'rtasidagi farqlarni yaxshiroq tushunish uchun.) Dastlabki natijalar shuni ko'rsatadiki, miyaga taqlid qiluvchi chiplar nafaqat sezilarli darajada samaraliroq, balki ular hozirgi kundagi mikrochiplarga qaraganda aql bovar qilmaydigan darajada kamroq vatt bilan ishlaydi.

Xuddi shu miyani modellashtirish yondashuvidan foydalanib, tranzistorning o'zi, kompyuteringiz mikrochipining maqol qurilish bloki tez orada memristor bilan almashtirilishi mumkin. "Ionika" davrini boshlab, memristor an'anaviy tranzistorga nisbatan bir qator qiziqarli afzalliklarni taqdim etadi:

Birinchidan, memristorlar ular orqali o'tadigan elektron oqimini eslab qolishlari mumkin - hatto quvvat uzilgan bo'lsa ham. Tarjima qilinganda, bu bir kun kelib siz kompyuteringizni lampochkangiz bilan bir xil tezlikda yoqishingiz mumkinligini anglatadi.
Transistorlar ikkilik bo'lib, 1s yoki 0s. Memristorlar esa bu ekstremallar orasida turli xil holatlarga ega bo'lishi mumkin, masalan, 0.25, 0.5, 0.747 va hokazo. Bu memristorlarning miyamizdagi sinapslarga o'xshash ishlashiga imkon beradi va bu juda katta ish, chunki u kelajakdagi hisoblashlar qatorini ochishi mumkin. imkoniyatlar.
Keyinchalik, memristorlarning ishlashi uchun kremniy kerak emas, bu esa yarimo'tkazgich sanoatiga mikrochiplarni yanada kichiklashtirish uchun yangi materiallardan foydalanish tajribasini o'tkazish yo'lini ochadi (yuqorida aytib o'tilganidek).
Nihoyat, IBM va DARPA tomonidan neyromorfik hisoblash bo'yicha topilmalarga o'xshab, memristorlarga asoslangan mikrochiplar tezroq, kamroq energiya sarflaydi va hozirda bozordagi chiplarga qaraganda yuqoriroq ma'lumot zichligiga ega bo'lishi mumkin.

3D chiplari. An'anaviy mikrochiplar va ularni quvvatlaydigan tranzistorlar tekis, ikki o'lchovli tekislikda ishlaydi, ammo 2010-yillarning boshida yarimo'tkazgich kompaniyalari o'z chiplariga uchinchi o'lcham qo'shish bilan tajriba o'tkaza boshladilar. “FinFET” deb nomlanuvchi bu yangi tranzistorlar chip yuzasidan yuqoriga chiqib turadigan kanalga ega bo‘lib, ularga o‘z kanallarida sodir bo‘layotgan voqealarni yaxshiroq boshqarish imkonini beradi, bu ularga qariyb 40 foizga tezroq ishlashga va energiyaning yarmidan foydalanishga imkon beradi. Biroq, salbiy tomoni shundaki, bu chiplarni ishlab chiqarish hozirgi vaqtda sezilarli darajada qiyinroq (qimmat).

Ammo individual tranzistorlarni qayta loyihalashdan tashqari, kelajak 3D chiplari shuningdek, vertikal qatlamlarda hisoblash va ma'lumotlarni saqlashni birlashtirishni maqsad qilgan. Hozirda an'anaviy kompyuterlar protsessordan santimetr uzoqda joylashgan xotira kartalarini joylashtiradilar. Ammo xotira va qayta ishlash komponentlarini integratsiyalash orqali bu masofa santimetrdan mikrometrgacha pasayadi, bu esa ishlov berish tezligi va energiya sarfini sezilarli darajada yaxshilash imkonini beradi.

Kvant hisoblash. Kelajakka nazar tashlaydigan bo'lsak, korporativ darajadagi kompyuterlarning katta qismi kvant fizikasining g'alati qonunlari ostida ishlashi mumkin. Biroq, bunday hisoblashning muhimligi sababli, biz ushbu seriyaning oxirida unga o'z bobini berdik.

Super mikrochiplar yaxshi biznes emas

Xo'sh, siz yuqorida o'qiganlaringiz yaxshi va yaxshi - biz yorug'lik tezligida ishlay oladigan inson miyasidan modellashtirilgan ultra energiya tejovchi mikrochiplar haqida gapirayapmiz - lekin gap shundaki, yarimo'tkazgich chiplarini ishlab chiqarish sanoati emas. bu tushunchalarni ommaviy ishlab chiqarilgan haqiqatga aylantirishga haddan tashqari ishtiyoqli.

Intel, Samsung va AMD kabi texnologiya gigantlari an'anaviy, kremniyga asoslangan mikrochiplarni ishlab chiqarish uchun o'nlab yillar davomida milliardlab dollar sarmoya kiritgan. Yuqorida qayd etilgan har qanday yangi kontseptsiyaga o'tish, bu investitsiyalarni bekor qilish va sotish rekordi nolga teng bo'lgan yangi mikrochip modellarini ommaviy ishlab chiqarish uchun yangi zavodlar qurish uchun milliardlab mablag' sarflashni anglatadi.

Bu yarimo'tkazgich kompaniyalarini ushlab turgan nafaqat vaqt va pul sarmoyasi emas. Iste'molchilarning yanada kuchli mikrochiplarga bo'lgan talabi ham pasayib bormoqda. Buni o'ylab ko'ring: 90-yillarda va 00-yillarning ko'p qismida siz kompyuteringiz yoki telefoningiz bilan savdo qilishingiz mumkin edi, agar har yili bo'lmasa, keyin har yili. Bu sizga uy va ish hayotingizni oson va yaxshiroq qilish uchun chiqadigan barcha yangi dasturiy ta'minot va ilovalardan xabardor bo'lish imkonini beradi. Bugungi kunda bozorda ish stoli yoki noutbukning eng so'nggi modeliga qanchalik tez-tez yangilaysiz?

Smartfoningiz haqida o'ylaganingizda, cho'ntagingizda atigi 20 yil oldin superkompyuter deb hisoblangan narsa bor. Batareya quvvati va xotira haqida shikoyatlar bilan bir qatorda, 2016 yildan beri sotib olingan telefonlarning aksariyati har qanday ilova yoki mobil o‘yinni ishga tushirish, SO bilan har qanday musiqiy video yoki yaramas facetiming seansini translatsiya qilish yoki o‘z qurilmangizda qilmoqchi bo‘lgan boshqa ko‘p narsalarni mukammal darajada qodir. telefon. Haqiqatan ham bu ishlarni 1,000-10 foizga yaxshiroq qilish uchun har yili 15 dollar yoki undan ko'proq pul sarflashingiz kerakmi? Hatto farqni sezasizmi?

Aksariyat odamlar uchun javob yo'q.

Mur qonunining kelajagi

Ilgari yarimo'tkazgich texnologiyalariga sarmoyaviy mablag'larning ko'p qismi harbiy mudofaa xarajatlaridan kelib tushgan. Keyin u maishiy elektronika ishlab chiqaruvchilari bilan almashtirildi va 2020-2023 yillarga kelib, mikrochiplarni keyingi rivojlantirishga etakchi investitsiyalar yana o'zgaradi, bu safar quyidagilarga ixtisoslashgan tarmoqlardan:

Keyingi avlod tarkibi. Golografik, virtual va kengaytirilgan reallik qurilmalarining keng ommaga joriy etilishi, ayniqsa, 2020-yillarning oxirlarida ushbu texnologiyalar etuklashib, ommalashib borayotganligi sababli, ma'lumotlar oqimiga bo'lgan talabni oshiradi.
Cloud computing. Ushbu seriyaning keyingi qismida tushuntirilgan.
Avtonom transport vositalari. Bizning maqolamizda batafsil tushuntirilgan Transportning kelajagi seriyali.
Narsalar interneti. Bizning maqolamizda tushuntirilgan Things Internet bobimiz Internet kelajagi seriyali.
Katta ma'lumotlar va tahlillar. Harbiylar, kosmik tadqiqotlar, ob-havo ma'lumotlari, farmatsevtika, logistika va h.k. kabi ma'lumotlarni muntazam ravishda sindirishni talab qiladigan tashkilotlar to'plangan ma'lumotlarning tobora kengayib borayotgan to'plamini tahlil qilish uchun tobora kuchli kompyuterlarni talab qilishda davom etadilar.

Yangi avlod mikrochiplari bo'yicha ilmiy-tadqiqot ishlarini moliyalashtirish har doim mavjud bo'ladi, ammo savol shundaki, mikroprotsessorlarning yanada murakkab shakllari uchun zarur bo'lgan moliyalashtirish darajasi Mur qonunining o'sish talablariga javob bera oladimi? Mikrochiplarning yangi shakllariga o'tish va ularni tijoratlashtirish xarajatlari, shuningdek, iste'molchilar talabining sekinlashishi, kelajakdagi davlat byudjeti tanqisligi va iqtisodiy tanazzullarni hisobga olgan holda, Mur qonuni 2020-yillarning boshida, kechgacha qayta tiklanishidan oldin qisqa muddatga sekinlashishi yoki to'xtab qolishi ehtimoli bor. 2020-yillar, 2030-yillarning boshi.

Nima uchun Mur qonuni yana tezlikni oshirishiga kelsak, aytaylik, turbo-quvvatli mikrochiplar hisoblash quvuridagi yagona inqilob emas. “Kompyuterlar kelajagi” seriyamizda biz bulutli hisoblashning o'sishiga turtki bo'lgan tendentsiyalarni o'rganamiz.