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Una legge di Moore svanita per innescà un ripensu fundamentale di i microchip: Future of Computers P4

David Tal, Editore, Futurista
@DavidTalWrites
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Dim, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Computers - sò un tipu di grande affare. Ma per apprezzà veramente e tendenze emergenti chì avemu insinuatu finu à avà in a nostra serie Future of Computers, avemu ancu bisognu di capiscenu e rivoluzioni sprinting down the pipeline computational, o simpricimenti: u futuru di i microchip.

Per piglià i fundamenti fora di a strada, avemu da capisce a Legge di Moore, a famosa lege chì u duttore Gordon E. Moore hà fundatu in u 1965. Essenzialmente, ciò chì Moore hà capitu tutti quelli decennii fà hè chì u numeru di transistori in un circuit integratu duppia. ogni 18 à 24 mesi. Hè per quessa chì u stessu urdinatore chì cumprate oghje per $ 1,000 vi costarà $ 500 da dui anni.

Per più di cinquant'anni, l'industria di i semiconduttori hà campatu à a linea di tendenza cumposta di sta lege, aprendu a strada per i novi sistemi operativi, video games, streaming video, app mobile, è ogni altra tecnulugia digitale chì hà definitu a nostra cultura muderna. Ma mentre a dumanda di sta crescita pare chì ferma fermu per un altru mezzo seculu, u silicuu - u materiale di roccia chì tutti i microchip muderni sò custruiti - ùn pare micca risponde à sta dumanda per assai più longu passatu u 2021 - secondu u ultimu rapportu da u Strada di Tecnulugia Internaziunale per Semiconductors (ITRS)

Hè a fisica veramente: l'industria di i semiconduttori riduce i transistors à a scala atomica, un silicuu di scala ùn sarà prestu micca adattatu. E più sta industria prova di riduce u siliciu oltre i so limiti ottimali, più caru diventerà ogni evoluzione di microchip.

Questu hè induve simu oghje. In uni pochi d'anni, u silicuu ùn serà più un materiale di costu per custruisce a prossima generazione di microchip di punta. Stu limitu forzarà una rivoluzione in l'elettronica furzendu l'industria di i semiconduttori (è a sucietà) à sceglie trà uni pochi di opzioni:

A prima opzione hè di rallentà, o finisce, u sviluppu costu per miniaturizà ulteriormente u silicuu, in favore di truvà modi novi per cuncepisce microchip chì generanu più putenza di trasfurmazioni senza miniaturizazione supplementaria.
Siconda, truvate novi materiali chì ponu esse manipulati à scale assai più chjuche di u silicuu per stuffà un numeru sempre più grande di transistori in microchip ancu più densi.
In terzu, invece di fucalizza nantu à a miniaturizazione o a migliione di l'usu di l'energia, rinfriscà nantu à a rapidità di trasfurmazioni attraversu a creazione di processori chì sò specializati per casi d'usu specifichi. Questu puderia significà invece di avè un chip generalista, i futuri computer puderanu avè un cluster di chips specialisti. Esempii include chips grafichi utilizati per migliurà i video games Introduzione di Google di u chip Tensor Processing Unit (TPU) chì hè specializatu in l'applicazioni d'apprendimentu machine.
Infine, cuncepisce un novu software è infrastruttura di nuvola chì ponu operare più veloce è più efficiente senza avè bisognu di microchip più densi / più chjuchi.

Quale opzione sceglierà a nostra industria tecnologica? Realisticamente: tutti.

A salvaguardia per a lege di Moore

A lista chì seguita hè un brevi sguardu in l'innuvazioni vicinu è longu chì i cuncurrenti in l'industria di i semiconduttori utilizanu per mantene a lege di Moore viva. Sta parte hè un pocu densu, ma pruveremu di mantene a lettura.

Nanomateriali. I principali cumpagnie di semiconduttori, cum'è Intel, anu digià annunziatu ch'elli seranu caccià siliciu una volta righjunghjenu scale di miniaturizazione di sette nanometri (7 nm). I candidati à rimpiazzà u siliciu includenu l'antimonidu d'indiu (InSb), l'arsenidu di u gallu indiu (InGaAs) è u siliciu-germaniu (SiGe), ma u materiale chì riceve a più eccitazione pare esse nanotubi di carbone. Fatti da grafite - stessu una pila composta di u materiale meraviglioso, graphene - nanotubi di carbonu ponu esse fatte atomi grossi, sò estremamente conduttivi, è sò stimati per fà futuri microchips finu à cinque volte più veloce da u 2020.

Computing otticu. Unu di i più grandi sfidi intornu à u disignu di chips hè di assicurà chì l'elettroni ùn saltate micca da un transistor à l'altru - una considerazione chì diventa infinitamente più dura una volta chì entra in u livellu atomicu. A tecnulugia emergente di l'informatica ottica cerca di rimpiazzà l'elettroni cù i fotoni, induve a luce (micca l'electricità) passa da transistor à transistor. in 2017, i circadori anu fattu un passu gigante versu questu scopu dimustrendu a capacità di almacenà l'infurmazioni basati in luce (fotoni) cum'è onde sonore in un chip di computer. Utilizendu stu approcciu, i microchip puderanu operare vicinu à a velocità di a luce per u 2025.

Spintronica. Più di duie decennii in u sviluppu, i transistori spintronici pruvate d'utilizà u "spin" di un elettroni invece di a so carica per rapprisintà l'infurmazioni. Mentri ancora luntanu da a cummercializazione, se risolta, sta forma di transistor avarà bisognu solu 10-20 millivolts à upirari, cintinara di volte più chjuca chè transistor cunvinziunali; Questu averebbe ancu sguassate i prublemi di surriscaldamentu chì l'imprese di semiconduttori affrontanu quandu produci chips sempre più chjuchi.

Informatica neuromorfica è memristori. Un altru approcciu novu per risolve sta crisa di trasfurmazioni imminenti si trova in u cervellu umanu. I ricercatori di IBM è DARPA, in particulare, guidanu u sviluppu di un novu tipu di microchip - un chip chì i circuiti integrati sò pensati per imite l'approcciu più decentralizatu è non lineale di u cervellu à l'informatica. (Verificate questu Articulu di ScienceBlogs per capisce megliu e differenze trà u cervellu umanu è l'urdinatori.) I primi risultati indicanu chì i chips chì imitanu u cervellu ùn sò micca solu significativamente più efficaci, ma operanu cù una potenza incredibilmente menu di i microchips di u ghjornu attuale.

Utilizendu stu stessu approcciu di mudellu di u cervellu, u transistor stessu, u proverbiale bloccu di custruzzione di u microchip di u vostru urdinatore, pò esse prestu rimpiazzatu da u memristor. Ushering in l'era "ionica", un memristor offre una quantità di vantaghji interessanti nantu à u transistor tradiziunale:

Prima, i memristori ponu ricurdà u flussu di l'elettroni chì passanu per elli, ancu s'ellu hè tagliatu u putere. Tradottu, questu significa chì un ghjornu pudete accende u vostru urdinatore à a stessa vitezza chì a vostra lampadina.
I transistori sò binari, o 1s o 0s. I memristori, intantu, ponu avè una varietà di stati trà quelli estremi, cum'è 0.25, 0.5, 0.747, etc. Questu fa chì i memristori operanu simili à e sinapsi in u nostru cervellu, è questu hè un grande affare postu chì puderia apre una gamma di futuri computing. pussibulità.
Dopu, i memristori ùn anu micca bisognu di siliciu per funziunà, aprendu a strada per l'industria di i semiconduttori per sperimentà cù l'usu di novi materiali per miniaturizà ancu i microchips (cum'è delineatu prima).
Infine, simile à i scuperti fatti da IBM è DARPA in l'informatica neuromorfica, i microchips basati in memristori sò più veloci, utilizanu menu energia, è puderanu tene una densità d'infurmazioni più altu ch'è i chips attualmente in u mercatu.

chips 3D. I microchip tradiziunali è i transistori chì l'alimentanu operanu nantu à un pianu pianu, bidimensionale, ma à l'iniziu di l'anni 2010, l'imprese di semiconductor cuminciaru à sperimentà l'aghjunghje una terza dimensione à i so chips. Chjamatu "finFET", questi novi transistori anu un canale chì si ferma da a superficia di u chip, dendu un megliu cuntrollu di ciò chì si passa in i so canali, chì li permette di curriri quasi 40 per centu più veloce, è operanu cù a mità di l'energia. U svantaghju, però, hè chì questi chips sò significativamente più difficiuli (costu) di pruduce in u mumentu.

Ma al di là di riprogettazione di i transistori individuali, futuru chips 3D Scopu ancu di cumminà l'informatica è l'almacenamiento di dati in strati impilati verticalmente. Avà, l'urdinatori tradiziunali allughjanu i so bastoni di memoria à centimetri da u so processore. Ma integrendu a memoria è i cumpunenti di trasfurmazioni, sta distanza scende da centimetri à micrometri, chì permette una migliione gigante in a velocità di trasfurmazioni è u cunsumu d'energia.

Informatica quantistica. Fighjendu più in u futuru, una grande parte di l'informatica à u livellu di l'impresa puderia operare sottu à e lege strane di a fisica quantistica. Tuttavia, per via di l'impurtanza di stu tipu di computing, avemu datu u so propiu capitulu à a fine di sta serie.

I super microchip ùn sò micca boni affari

D'accordu, allora ciò chì leghjite sopra hè tuttu bè è bonu - parlemu di microchip ultra efficienti in energia modellati dopu à u cervellu umanu chì pò curriri à a velocità di a luce - ma a cosa hè chì l'industria di fabricazione di chip di semiconductor ùn hè micca. troppu ansiosu di trasfurmà sti cuncetti in una realità prodotta in massa.

I giganti tecnulugichi, cum'è Intel, Samsung è AMD, anu digià investitu miliardi di dollari in decennii per pruduce microchip tradiziunali basati in silicuu. Passà à qualcunu di i cuncetti novi nutati sopra significaria scrapping quelli investimenti è spende miliardi di più per custruisce novi fabbriche per pruduce in massa novi mudelli di microchip chì anu un record di vendita di zero.

Ùn hè micca solu l'investimentu di tempu è soldi chì mantene queste cumpagnie di semiconduttori. A dumanda di i cunsumatori per microchip sempre più putenti hè ancu in calata. Pensate à questu: Durante l'anni 90 è a maiò parte di l'anni 00, era guasi un datu chì avete scambiatu in u vostru urdinatore o in u vostru telefunu, se micca ogni annu, dopu ogni annu. Questu vi permetterà di seguità cù tutti i novi software è l'applicazioni chì escevanu per fà a vostra casa è a vita di travagliu più faciule è megliu. In questi ghjorni, quantu volte aghjurnà à l'ultimu mudellu di desktop o laptop in u mercatu?

Quandu pensate à u vostru smartphone, avete in a vostra sacchetta ciò chì saria statu cunsideratu un supercomputer solu 20 anni fà. A parte di e lagnanze nantu à a vita di a bateria è a memoria, a maiò parte di i telefoni cumprati da u 2016 sò perfettamente capaci di eseguisce qualsiasi app o ghjocu mobile, di streaming qualsiasi video musicale o sessione di facetiming naughty cù u vostru SO, o a maiò parte di qualsiasi altra cosa chì vulete fà nantu à u vostru. telefonu. Avete veramente bisognu di gastru $ 1,000 o più ogni annu per fà queste cose 10-15 per centu megliu? Avissi ancu a diferenza?

Per a maiò parte di a ghjente, a risposta hè micca.

U futuru di a lege di Moore

In u passatu, a maiò parte di u finanziamentu d'investimentu in a tecnulugia di semiconductor hè vinutu da a spesa di difesa militare. Dopu hè statu rimpiazzatu da i pruduttori di l'elettronica di u cunsumu, è da u 2020-2023, l'investimentu di punta in u sviluppu di u microchip serà di novu, sta volta da l'industrii specializate in i seguenti:

Contenutu Next-Gen. L'imminente introduzione di i dispositi olografichi, virtuali è di realtà aumentata à u publicu generale suscitarà una più grande dumanda di streaming di dati, soprattuttu cum'è queste tecnulugia maturanu è crescenu in pupularità à a fine di l'anni 2020.
Cloud computing. Spiegate in a prossima parte di sta serie.
Veiculi autònomi. Spiegatu bè in u nostru U futuru di u trasportu serie.
Internet di e cose. Spiegatu in u nostru Internet di Cose capitulu in u nostru Futuru di Internet serie.
Big data è analisi. L'urganisazioni chì necessitanu un crunching di dati regulare - pensate à l'armata, l'esplorazione spaziale, i previsioni di u clima, i farmaceutichi, a logistica, etc. - continueranu à dumandà computers sempre più putenti per analizà i so insemi di dati raccolti sempre in espansione.

U finanziamentu per a R&D in i microchip di a prossima generazione esisterà sempre, ma a quistione hè se u livellu di finanziamentu necessariu per e forme più cumplesse di microprocessori pò seguità cù e richieste di crescita di a Legge di Moore. In vista di u costu di cambià è di cummercializà e novi forme di microchip, accumpagnatu da una dumanda di rallentamentu di i cunsumatori, u futuru crunches di u bilanciu di u guvernu è e recessioni ecunomiche, hè probabile chì a Legge di Moore rallenta o ferma brevemente à l'iniziu di l'anni 2020, prima di ripiglià à a fine. 2020, principiu di 2030.

In quantu à perchè a Legge di Moore ripiglià a velocità di novu, bè, diciamu solu chì i microchip turbo-powered ùn sò micca l'unica rivoluzione chì vene in u pipeline di l'informatica. In seguitu in a nostra serie Future of Computers, esploreremu e tendenze chì alimentanu a crescita di u cloud computing.