Quantumrun

BILLEDKREDIT: Quantumrun

En falmende Moores lov for at sætte gang i grundlæggende gentænkning af mikrochips: Future of Computers P4

David Tal, udgiver, fremtidsforsker
@DavidTalWrites
LinkedIn

Tue, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Computere - de er noget af en big deal. Men for virkelig at værdsætte de nye tendenser, som vi hidtil har antydet i vores Future of Computers-serie, er vi også nødt til at forstå de revolutioner, der sprintede ned ad den beregningsmæssige pipeline, eller simpelthen: fremtiden for mikrochips.

For at få det grundlæggende ud af vejen, er vi nødt til at forstå Moores lov, den nu berømte lov Dr. Gordon E. Moore grundlagde i 1965. Grundlæggende er det, Moore indså for alle disse årtier siden, at antallet af transistorer i et integreret kredsløb fordobles hver 18. til 24. måned. Det er grunden til, at den samme computer, du køber i dag for 1,000 USD, vil koste dig 500 USD om to år.

I over halvtreds år har halvlederindustrien levet op til denne lovs sammensatte trendlinje og banet vejen for de nye operativsystemer, videospil, streaming video, mobilapps og enhver anden digital teknologi, der har defineret vores moderne kultur. Men selvom efterspørgslen efter denne vækst ser ud til, at den vil forblive stabil i endnu et halvt århundrede, ser silicium - det grundfjeldsmateriale, alle moderne mikrochips er bygget med - ikke ud til at imødekomme denne efterspørgsel i meget længere tid, der er gået 2021 - ifølge sidste rapport fra International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

Det er fysik i virkeligheden: Halvlederindustrien krymper transistorer til atomskalaen, en skala silicium vil snart være uegnet til. Og jo mere denne industri forsøger at krympe silicium forbi dets optimale grænser, jo dyrere vil hver mikrochip-evolution blive.

Det er her, vi er i dag. Om få år vil silicium ikke længere være et omkostningseffektivt materiale til at bygge den næste generation af banebrydende mikrochips. Denne grænse vil fremtvinge en revolution inden for elektronik ved at tvinge halvlederindustrien (og samfundet) til at vælge mellem et par muligheder:

Den første mulighed er at bremse eller afslutte den kostbare udvikling for yderligere at miniaturisere silicium til fordel for at finde nye måder at designe mikrochips, der genererer mere processorkraft uden yderligere miniaturisering.
For det andet, find nye materialer, der kan manipuleres i langt mindre skalaer end silicium for at stoppe stadigt større antal transistorer i endnu tættere mikrochips.
For det tredje, i stedet for at fokusere på miniaturisering eller forbedringer af strømforbruget, skal du fokusere på hastigheden af behandlingen ved at skabe processorer, der er specialiserede til specifikke brugstilfælde. Dette kan betyde, at i stedet for at have én generalist-chip, kan fremtidige computere have en klynge af specialist-chips. Eksempler omfatter grafikchips, der bruges til at forbedre videospil til Googles introduktion af Tensor Processing Unit (TPU)-chippen, der er specialiseret i maskinlæringsapplikationer.
Endelig design ny software og cloud-infrastruktur, der kan fungere hurtigere og mere effektivt uden behov for tættere/mindre mikrochips.

Hvilken mulighed vil vores teknologiindustri vælge? Realistisk: dem alle sammen.

Livlinen til Moores lov

Følgende liste er et kort indblik i de nær- og langsigtede innovationer, konkurrenter inden for halvlederindustrien vil bruge for at holde Moores lov i live. Denne del er lidt tæt, men vi vil forsøge at holde den læsbar.

Nanomaterialer. Førende halvledervirksomheder, som Intel, har allerede annonceret, at de vil drop silicium når de når miniaturiseringsskalaer på syv nanometer (7nm). Kandidater til at erstatte silicium inkluderer indium antimonid (InSb), indium gallium arsenid (InGaAs) og silicium-germanium (SiGe), men det materiale, der bliver mest begejstret, ser ud til at være kulstof nanorør. Lavet af grafit - i sig selv en sammensat stak af vidundermaterialet grafen - kan kulstofnanorør gøres atomer tykke, er ekstremt ledende og anslås at gøre fremtidige mikrochips op til fem gange hurtigere i 2020.

Optisk databehandling. En af de største udfordringer ved at designe chips er at sikre, at elektroner ikke springer fra en transistor til en anden - en overvejelse, der bliver uendeligt sværere, når du først kommer ind på atomniveau. Den nye teknologi inden for optisk databehandling ser ud til at erstatte elektroner med fotoner, hvorved lys (ikke elektricitet) passerer fra transistor til transistor. I 2017, tog forskere et kæmpe skridt mod dette mål ved at demonstrere evnen til at lagre lysbaseret information (fotoner) som lydbølger på en computerchip. Ved at bruge denne tilgang kunne mikrochips operere tæt på lysets hastighed i 2025.

Spintronik. Over to årtiers udvikling forsøger spintroniske transistorer at bruge en elektrons 'spin' i stedet for dens ladning til at repræsentere information. Selvom det stadig er langt fra kommercialisering, vil denne form for transistor, hvis den løses, kun have brug for 10-20 millivolt for at fungere, hundredvis af gange mindre end konventionelle transistorer; dette ville også fjerne de problemer med overophedning, som halvledervirksomheder står over for, når de producerer stadig mindre chips.

Neuromorf databehandling og memristorer. En anden ny tilgang til at løse denne truende behandlingskrise ligger i den menneskelige hjerne. Især forskere hos IBM og DARPA leder udviklingen af en ny slags mikrochip - en chip, hvis integrerede kredsløb er designet til at efterligne hjernens mere decentraliserede og ikke-lineære tilgang til computere. (Tjek dette ud ScienceBlogs artikel for bedre at forstå forskellene mellem den menneskelige hjerne og computere.) Tidlige resultater tyder på, at chips, der efterligner hjernen, ikke kun er betydeligt mere effektive, men de bruger utroligt mindre watt end nuværende mikrochips.

Ved at bruge denne samme tilgang til hjernemodellering kan selve transistoren, den velkendte byggesten i din computers mikrochip, snart blive erstattet af memristoren. Ved at indlede "ionics"-æraen tilbyder en memristor en række interessante fordele i forhold til den traditionelle transistor:

For det første kan memristorer huske elektronstrømmen, der passerer gennem dem - også selvom strømmen afbrydes. Oversat betyder det, at du en dag kunne tænde din computer med samme hastighed som din pære.
Transistorer er binære, enten 1'ere eller 0'ere. Memristorer kan i mellemtiden have en række tilstande mellem disse ekstremer, såsom 0.25, 0.5, 0.747 osv. Dette får memristorer til at fungere på samme måde som synapserne i vores hjerner, og det er en stor sag, da det kan åbne op for en række fremtidig databehandling muligheder.
Dernæst behøver memristorer ikke silicium for at fungere, hvilket åbner vejen for halvlederindustrien til at eksperimentere med at bruge nye materialer til yderligere at miniaturisere mikrochips (som beskrevet tidligere).
Endelig, i lighed med resultaterne fra IBM og DARPA inden for neuromorfisk databehandling, er mikrochips baseret på memristorer hurtigere, bruger mindre energi og kan have en højere informationstæthed end chips på markedet i øjeblikket.

3D-chips. Traditionelle mikrochips og transistorerne, der driver dem, fungerer på et fladt, todimensionelt plan, men i begyndelsen af 2010'erne begyndte halvledervirksomheder at eksperimentere med at tilføje en tredje dimension til deres chips. Disse nye transistorer kaldet 'finFET' har en kanal, der stikker op fra chippens overflade, hvilket giver dem bedre kontrol over, hvad der foregår i deres kanaler, så de kan køre næsten 40 procent hurtigere og bruge halvdelen af energien. Ulempen er dog, at disse chips er væsentligt sværere (dyrere) at producere i øjeblikket.

Men ud over at redesigne de individuelle transistorer, fremtiden 3D-chips sigter også på at kombinere databehandling og datalagring i lodret stablede lag. Lige nu rummer traditionelle computere deres memory sticks centimeter fra dens processor. Men ved at integrere hukommelses- og behandlingskomponenterne falder denne afstand fra centimeter til mikrometer, hvilket muliggør en gigantisk forbedring af behandlingshastigheder og energiforbrug.

Kvanteberegning. Ser vi længere ind i fremtiden, kan en stor del af computere på virksomhedsniveau fungere under kvantefysikkens freaky love. Men på grund af vigtigheden af denne form for databehandling, gav vi den sit eget kapitel i slutningen af denne serie.

Super mikrochips er ikke en god forretning

Okay, så det, du læser ovenfor, er alt i orden – vi taler om ultraenergieffektive mikrochips, der er modelleret efter den menneskelige hjerne, der kan køre med lysets hastighed – men sagen er den, at industrien for fremstilling af halvlederchips ikke er alt for ivrige efter at gøre disse koncepter til en masseproduceret virkelighed.

Tech-giganter som Intel, Samsung og AMD har allerede investeret milliarder af dollars over årtier for at producere traditionelle, siliciumbaserede mikrochips. At skifte til et hvilket som helst af de nye koncepter, der er nævnt ovenfor, ville betyde at skrotte disse investeringer og bruge milliarder mere på at bygge nye fabrikker for at masseproducere nye mikrochipmodeller, der har en salgsresultat på nul.

Det er ikke kun investeringen i tid og penge, der holder disse halvledervirksomheder tilbage. Forbrugernes efterspørgsel efter stadigt stærkere mikrochips er også på vej ned. Tænk over det: I løbet af 90'erne og det meste af 00'erne var det næsten givet, at du ville bytte med din computer eller telefon, hvis ikke hvert år, så hvert andet år. Dette ville give dig mulighed for at følge med i al den nye software og applikationer, der kom ud for at gøre dit hjem og arbejdsliv lettere og bedre. Hvor ofte opgraderer du i disse dage til den nyeste desktop- eller bærbare model på markedet?

Når du tænker på din smartphone, har du i lommen, hvad der ville være blevet betragtet som en supercomputer for bare 20 år siden. Bortset fra klager over batterilevetid og hukommelse, er de fleste telefoner købt siden 2016 perfekt i stand til at køre en hvilken som helst app eller mobilspil, streame enhver musikvideo eller fræk facetiming-session med din SO eller det meste andet, du gerne vil lave på din telefon. Har du virkelig brug for at bruge 1,000 USD eller mere hvert år for at gøre disse ting 10-15 procent bedre? Ville du overhovedet bemærke forskellen?

For de fleste er svaret nej.

Fremtiden for Moores lov

Tidligere kom det meste af investeringsfinansiering i halvlederteknologi fra militære forsvarsudgifter. Den blev derefter erstattet af producenter af forbrugerelektronik, og i 2020-2023 vil førende investeringer i yderligere udvikling af mikrochips skifte igen, denne gang fra industrier, der specialiserer sig i følgende:

Næste generations indhold. Den kommende introduktion af holografiske, virtuelle og augmented reality-enheder til den brede offentlighed vil anspore til en større efterspørgsel efter datastreaming, især da disse teknologier modnes og vokser i popularitet i slutningen af 2020'erne.
Skyen. Forklaret i næste del af denne serie.
Autonome køretøjer. Forklaret grundigt i vores Fremtiden for transport serien.
Internet af ting. Forklaret i vores Tingenes internet kapitel i vores Internettets fremtid serien.
Big data og analyser. Organisationer, der kræver regelmæssig dataknusning – tænk militæret, rumudforskning, vejrudsigtere, lægemidler, logistik osv. – vil fortsætte med at kræve stadigt stærkere computere til at analysere deres stadigt voksende sæt af indsamlede data.

Finansiering til forskning og udvikling til næste generations mikrochips vil altid eksistere, men spørgsmålet er, om det nødvendige finansieringsniveau til mere komplekse former for mikroprocessorer kan følge med vækstkravene i Moores lov. I betragtning af omkostningerne ved at skifte til og kommercialisere nye former for mikrochips, kombineret med aftagende forbrugerefterspørgsel, fremtidige statsbudgetstramninger og økonomiske recessioner, er chancerne for, at Moores lov vil bremse eller stoppe kort i begyndelsen af 2020'erne, før den genoptager i slutningen af 2020'erne, begyndelsen af 2030'erne.

Med hensyn til hvorfor Moores lov vil tage fart igen, ja, lad os bare sige, at turbodrevne mikrochips ikke er den eneste revolution, der kommer ned ad computerpipelinen. Næste i vores Future of Computers-serie vil vi udforske de tendenser, der driver væksten af cloud computing.