Quantumrun

BEELDKREDIET: Quantumrun

'n Vervaagde Moore se wet om fundamentele herbesinning van mikroskyfies: Future of Computers P4

David Tal, uitgewer, toekomskundige
@DavidTalWrites
LinkedIn

Di, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Rekenaars—dit is nogal 'n groot probleem. Maar om die opkomende neigings wat ons tot dusver in ons Future of Computers-reeks te kenne gegee het, werklik te waardeer, moet ons ook die revolusies verstaan wat in die berekeningspyplyn afspring, of eenvoudig: die toekoms van mikroskyfies.

Om die basiese beginsels uit die weg te ruim, moet ons Moore se wet verstaan, die nou bekende wet wat dr. Gordon E. Moore in 1965 gestig het. Wat Moore al daardie dekades gelede besef het, is in wese dat die aantal transistors in 'n geïntegreerde stroombaan verdubbel elke 18 tot 24 maande. Dit is hoekom dieselfde rekenaar wat jy vandag vir $1,000 500 koop jou twee jaar van nou af $XNUMX sal kos.

Vir meer as vyftig jaar het die halfgeleierbedryf hierdie wet se saamgestelde tendenslyn gestand gedoen, wat die weg baan vir die nuwe bedryfstelsels, videospeletjies, stromende video, mobiele toepassings en elke ander digitale tegnologie wat ons moderne kultuur gedefinieer het. Maar hoewel die vraag na hierdie groei lyk asof dit vir nog 'n halfeeu bestendig sal bly, lyk dit nie asof silikon - die grondgesteentemateriaal waarmee alle moderne mikroskyfies gebou is nie - nie in daardie vraag sal voorsien vir baie langer verby 2021 nie - volgens die laaste verslag van die Internasionale Tegnologie Padkaart vir Halfgeleiers (ITRS)

Dis fisika eintlik: die halfgeleierbedryf krimp transistors na die atoomskaal, waarvoor 'n skaal silikon binnekort ongeskik sal wees. En hoe meer hierdie bedryf probeer om silikon verby sy optimale perke te laat krimp, hoe duurder sal elke mikroskyfie-evolusie word.

Dit is waar ons vandag is. Oor 'n paar jaar sal silikon nie meer 'n kostedoeltreffende materiaal wees om die volgende generasie van die nuutste mikroskyfies te bou nie. Hierdie limiet sal 'n omwenteling in elektronika afdwing deur die halfgeleierbedryf (en die samelewing) te dwing om tussen 'n paar opsies te kies:

Die eerste opsie is om duur ontwikkeling te vertraag of te beëindig om silikon verder te miniaturiseer, ten gunste van die vind van nuwe maniere om mikroskyfies te ontwerp wat meer verwerkingskrag genereer sonder bykomende miniaturisering.
Tweedens, vind nuwe materiale wat op veel kleiner skale as silikon gemanipuleer kan word om steeds groter getalle transistors in selfs digter mikroskyfies te stop.
Derdens, in plaas daarvan om op miniaturisering of kragverbruikverbeterings te fokus, herfokus op die spoed van verwerking deur verwerkers te skep wat vir spesifieke gebruiksgevalle gespesialiseer is. Dit kan beteken in plaas daarvan om een algemene skyfie te hê, kan toekomstige rekenaars 'n groep spesialisskyfies hê. Voorbeelde sluit in grafiese skyfies wat gebruik word om videospeletjies te verbeter Google se inleiding van die Tensor Processing Unit (TPU)-skyfie wat in masjienleertoepassings spesialiseer.
Laastens, ontwerp nuwe sagteware en wolkinfrastruktuur wat vinniger en doeltreffender kan werk sonder om digter/kleiner mikroskyfies te benodig.

Watter opsie sal ons tegnologiebedryf kies? Realisties: almal van hulle.

Die reddingsboei vir Moore se wet

Die volgende lys is 'n kort blik op die naby- en langtermyn-innovasies wat mededingers in die halfgeleierbedryf sal gebruik om Moore se wet lewendig te hou. Hierdie deel is 'n bietjie dig, maar ons sal probeer om dit leesbaar te hou.

nanomateriale. Vooraanstaande halfgeleiermaatskappye, soos Intel, het reeds aangekondig dat hulle sal druppel silikon sodra hulle miniaturiseringskale van sewe nanometer (7nm) bereik. Kandidate om silikon te vervang sluit in indium antimonied (InSb), indium gallium arsenied (InGaAs), en silikon-germanium (SiGe), maar die materiaal wat die meeste opgewonde maak, blyk koolstofnanobuise te wees. Gemaak van grafiet - self 'n saamgestelde stapel van die wondermateriaal, grafeen - kan koolstofnanobuise atome dik gemaak word, is uiters geleidend en sal na raming toekomstige mikroskyfies teen 2020 tot vyf keer vinniger maak.

Optiese rekenaar. Een van die grootste uitdagings rondom die ontwerp van skyfies is om te verseker dat elektrone nie van een transistor na 'n ander oorslaan nie - 'n oorweging wat oneindig moeiliker word sodra jy die atoomvlak betree. Die opkomende tegnologie van optiese rekenaar wil elektrone met fotone vervang, waardeur lig (nie elektrisiteit nie) van transistor na transistor oorgedra word. Die afdeling was binne-in 2017 SAI Bn gestasioneer en het as die Opleiding en Ontwikkelings Vleuel bekend gestaan., het navorsers 'n reuse-stap na hierdie doelwit geneem deur die vermoë te demonstreer om liggebaseerde inligting (fotone) as klankgolwe op 'n rekenaarskyfie te stoor. Deur hierdie benadering te gebruik, kan mikroskyfies teen 2025 naby die spoed van lig werk.

spintronika. Oor twee dekades in ontwikkeling poog spintroniese transistors om die 'spin' van 'n elektron in plaas van sy lading te gebruik om inligting voor te stel. Alhoewel dit nog ver van kommersialisering af, indien opgelos, sal hierdie vorm van transistor slegs 10-20 millivolt nodig hê om te werk, honderde kere kleiner as konvensionele transistors; dit sal ook die oorverhittingskwessies wat halfgeleiermaatskappye ondervind wanneer hulle steeds kleiner skyfies vervaardig, verwyder.

Neuromorfiese rekenaars en memristors. Nog 'n nuwe benadering om hierdie dreigende verwerkingskrisis op te los lê in die menslike brein. Navorsers by IBM en DARPA, in die besonder, lei die ontwikkeling van 'n nuwe soort mikroskyfie—'n skyfie waarvan die geïntegreerde stroombane ontwerp is om die brein se meer gedesentraliseerde en nie-lineêre benadering tot rekenaars na te boots. (Kyk hierna ScienceBlogs-artikel om die verskille tussen die menslike brein en rekenaars beter te verstaan.) Vroeë resultate dui daarop dat skyfies wat die brein naboots nie net aansienlik meer doeltreffend is nie, maar hulle werk met ongelooflik minder wattage as huidige mikroskyfies.

Deur dieselfde breinmodelleringsbenadering te gebruik, kan die transistor self, die spreekwoordelike bousteen van jou rekenaar se mikroskyfie, binnekort deur die memristor vervang word. Om die "ionika"-era in te lei, bied 'n memristor 'n aantal interessante voordele bo die tradisionele transistor:

Eerstens kan memristors die elektronvloei onthou wat daardeur gaan—selfs al word krag afgesny. Vertaal beteken dit dat jy eendag jou rekenaar teen dieselfde spoed as jou gloeilamp kan aanskakel.
Transistors is binêr, óf 1'e of 0'e. Memristors kan intussen 'n verskeidenheid toestande tussen daardie uiterstes hê, soos 0.25, 0.5, 0.747, ens. Dit laat memristors soortgelyk aan die sinapse in ons brein werk, en dit is 'n groot saak, aangesien dit 'n reeks toekomstige rekenaars kan oopmaak. moontlikhede.
Vervolgens het memristors nie silikon nodig om te funksioneer nie, wat die pad oopmaak vir die halfgeleierbedryf om te eksperimenteer met die gebruik van nuwe materiale om mikroskyfies verder te miniaturiseer (soos vroeër uiteengesit).
Laastens, soortgelyk aan die bevindinge wat IBM en DARPA oor neuromorfiese rekenaars gemaak het, is mikroskyfies gebaseer op memristors vinniger, gebruik minder energie en kan dit 'n hoër inligtingsdigtheid hou as skyfies wat tans op die mark is.

3D skyfies. Tradisionele mikroskyfies en die transistors wat hulle aandryf werk op 'n plat, tweedimensionele vlak, maar in die vroeë 2010's het halfgeleiermaatskappye begin eksperimenteer om 'n derde dimensie by hul skyfies te voeg. Hierdie nuwe transistors, wat 'finFET' genoem word, het 'n kanaal wat van die skyfie se oppervlak opsteek, wat hulle beter beheer gee oor wat in hul kanale plaasvind, wat hulle in staat stel om byna 40 persent vinniger te hardloop en die helfte van die energie te gebruik. Die nadeel is egter dat hierdie skyfies op die oomblik aansienlik moeiliker (duurder) is om te vervaardig.

Maar verder as die herontwerp van die individuele transistors, toekoms 3D skyfies beoog ook om rekenaar- en databerging in vertikaal gestapelde lae te kombineer. Op die oomblik huisves tradisionele rekenaars hul geheuestokkies sentimeter van sy verwerker. Maar deur die geheue- en verwerkingskomponente te integreer, daal hierdie afstand van sentimeter tot mikrometer, wat 'n reuse-verbetering in verwerkingspoed en energieverbruik moontlik maak.

Kwantumrekenaarkunde. As ons verder in die toekoms kyk, kan 'n groot deel van ondernemingsvlak rekenaars onder die freaky wette van kwantumfisika funksioneer. As gevolg van die belangrikheid van hierdie soort rekenaar, het ons dit egter sy eie hoofstuk aan die einde van hierdie reeks gegee.

Super mikroskyfies is nie goeie besigheid nie

Goed, so wat jy hierbo lees is alles goed en wel - ons praat van ultra-energiedoeltreffende mikroskyfies wat gemodelleer is na die menslike brein wat teen die spoed van lig kan hardloop - maar die ding is dat die halfgeleierskyfievervaardigingsbedryf nie te gretig om hierdie konsepte in 'n massa-vervaardigde werklikheid te omskep.

Tegniese reuse, soos Intel, Samsung en AMD, het reeds oor dekades miljarde dollars belê om tradisionele, silikon-gebaseerde mikroskyfies te vervaardig. Om oor te skakel na enige van die nuwe konsepte wat hierbo genoem is, sou beteken dat daardie beleggings geskrap word en miljarde meer bestee word aan die bou van nuwe fabrieke om nuwe mikroskyfie-modelle te massavervaardig met 'n verkoopsrekord van nul.

Dit is nie net die tyd- en geldbelegging wat hierdie halfgeleiermaatskappye terughou nie. Die verbruikersvraag na steeds kragtiger mikroskyfies is ook aan die taan. Dink daaroor: Gedurende die 90's en die meeste van die 00's was dit amper 'n gegewe dat jy jou rekenaar of foon sou inruil, indien nie elke jaar nie, dan elke tweede jaar. Dit sal jou toelaat om tred te hou met al die nuwe sagteware en toepassings wat uitgekom het om jou huis- en werklewe makliker en beter te maak. Hoe gereeld gradeer jy deesdae op na die nuutste rekenaar- of skootrekenaarmodel op die mark?

As jy aan jou slimfoon dink, het jy in jou sak wat net 20 jaar gelede as 'n superrekenaar beskou sou word. Afgesien van klagtes oor batterylewe en geheue, is die meeste fone wat sedert 2016 gekoop is, perfek in staat om enige toepassing of mobiele speletjie te laat loop, om enige musiekvideo of stoute fasetimesessie met jou SO te stroom, of enigiets anders wat jy op jou wil doen. foon. Moet jy regtig elke jaar $1,000 10 of meer spandeer om hierdie dinge 15-XNUMX persent beter te doen? Sal jy selfs die verskil agterkom?

Vir die meeste mense is die antwoord nee.

Die toekoms van Moore se wet

In die verlede was die meeste beleggingsfinansiering in halfgeleiertegnologie afkomstig van militêre verdedigingsbesteding. Dit is toe vervang deur vervaardigers van verbruikerselektronika, en teen 2020-2023 sal leiende investering in verdere mikroskyfie-ontwikkeling weer verskuif, hierdie keer van nywerhede wat in die volgende spesialiseer:

Volgende-generasie inhoud. Die komende bekendstelling van holografiese, virtuele en volgemaak realiteit-toestelle aan die algemene publiek sal 'n groter vraag na datastroom aanwakker, veral namate hierdie tegnologieë in die laat 2020's volwasse word en in gewildheid groei.
wolk rekenaar. Verduidelik in die volgende deel van hierdie reeks.
Outonome voertuie. Deeglik verduidelik in ons Toekoms van vervoer reeks.
Internet van dinge. Verduidelik in ons Internet van die dinge hoofstuk in ons Toekoms van die internet reeks.
Groot data en analise. Organisasies wat gereelde data-kras benodig - dink aan die weermag, ruimteverkenning, weervoorspellers, farmaseutiese produkte, logistiek, ens. - sal voortgaan om toenemend kragtige rekenaars te eis om hul steeds groeiende stelle versamelde data te ontleed.

Befondsing vir R&D in die volgende generasie mikroskyfies sal altyd bestaan, maar die vraag is of die befondsingsvlak wat nodig is vir meer komplekse vorme van mikroverwerkers kan byhou met die groei-eise van Moore se wet. Gegewe die koste verbonde aan die oorskakeling na en kommersialisering van nuwe vorme van mikroskyfies, tesame met verlangsamende verbruikersvraag, toekomstige regeringsbegrotings en ekonomiese resessies, is die kans goed dat Moore se wet in die vroeë 2020's sal verlangsaam of kortstondig sal stop, voordat dit teen die laat herstel sal word. 2020's, vroeë 2030's.

Wat betref hoekom Moore se wet weer spoed sal optel, wel, kom ons sê net dat turbo-aangedrewe mikroskyfies nie die enigste revolusie is wat in die rekenaarpyplyn afkom nie. Volgende in ons Future of Computers-reeks, sal ons die neigings ondersoek wat die groei van wolkrekenaarkunde aanvuur.