Quantumrun

ΠΙΣΤΩΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ: Quantumrun

Ένας ξεθωριασμένος νόμος του Moore για να προκαλέσει θεμελιώδη επανεξέταση των μικροτσίπ: Το μέλλον των υπολογιστών P4

David Tal, Εκδότης, Μελλοντολόγος
@DavidTalWrites
LinkedIn

Τρίτη, 09/15/2020 - 15:39

Υπολογιστές—είναι κάπως μεγάλη υπόθεση. Αλλά για να εκτιμήσουμε πραγματικά τις αναδυόμενες τάσεις που έχουμε υποδείξει μέχρι στιγμής στη σειρά Future of Computers, πρέπει επίσης να κατανοήσουμε τις επαναστάσεις που επιταχύνουν τον υπολογιστικό αγωγό ή απλά: το μέλλον των μικροτσίπ.

Για να ξεμπερδέψουμε με τα βασικά, πρέπει να κατανοήσουμε τον νόμο του Moore, τον διάσημο πλέον νόμο που ίδρυσε ο Dr. Gordon E. Moore το 1965. Ουσιαστικά, αυτό που συνειδητοποίησε ο Moore πριν από όλες αυτές τις δεκαετίες είναι ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται κάθε 18 έως 24 μήνες. Αυτός είναι ο λόγος που ο ίδιος υπολογιστής που αγοράζετε σήμερα για 1,000 $ θα σας κοστίζει 500 $ σε δύο χρόνια από τώρα.

Για περισσότερα από πενήντα χρόνια, η βιομηχανία ημιαγωγών ανταποκρίνεται στη σύνθετη γραμμή τάσης αυτού του νόμου, ανοίγοντας το δρόμο για τα νέα λειτουργικά συστήματα, τα βιντεοπαιχνίδια, τη ροή βίντεο, τις εφαρμογές για κινητά και κάθε άλλη ψηφιακή τεχνολογία που έχει καθορίσει τη σύγχρονη κουλτούρα μας. Όμως, ενώ η ζήτηση για αυτήν την ανάπτυξη φαίνεται ότι θα παραμείνει σταθερή για ακόμη μισό αιώνα, το πυρίτιο -το υλικό βάσης με το οποίο είναι κατασκευασμένα όλα τα σύγχρονα μικροτσίπ- δεν φαίνεται ότι θα καλύψει αυτή τη ζήτηση για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα μετά το 2021- σύμφωνα με τελευταία αναφορά από την Διεθνής τεχνολογικός χάρτης πορείας για ημιαγωγούς (ITRS)

Είναι πραγματικά φυσική: η βιομηχανία ημιαγωγών συρρικνώνει τα τρανζίστορ στην ατομική κλίμακα, μια κλίμακα πυριτίου σύντομα θα είναι ακατάλληλη. Και όσο περισσότερο αυτή η βιομηχανία προσπαθεί να συρρικνώσει το πυρίτιο πέρα από τα βέλτιστα όριά του, τόσο πιο ακριβή θα γίνεται κάθε εξέλιξη μικροτσίπ.

Εδώ βρισκόμαστε σήμερα. Σε λίγα χρόνια, το πυρίτιο δεν θα είναι πλέον ένα οικονομικό υλικό για την κατασκευή της επόμενης γενιάς μικροτσίπ αιχμής. Αυτό το όριο θα αναγκάσει μια επανάσταση στα ηλεκτρονικά, αναγκάζοντας τη βιομηχανία ημιαγωγών (και την κοινωνία) να επιλέξει ανάμεσα σε μερικές επιλογές:

Η πρώτη επιλογή είναι να επιβραδυνθεί ή να τερματιστεί η δαπανηρή ανάπτυξη για περαιτέρω σμίκρυνση του πυριτίου, προς όφελος της εύρεσης καινοτόμων τρόπων σχεδιασμού μικροτσίπ που παράγουν περισσότερη ισχύ επεξεργασίας χωρίς πρόσθετη σμίκρυνση.
Δεύτερον, βρείτε νέα υλικά που μπορούν να χειριστούν σε πολύ μικρότερες κλίμακες από το πυρίτιο για να γεμίσουν όλο και μεγαλύτερους αριθμούς τρανζίστορ σε ακόμη πιο πυκνά μικροτσίπ.
Τρίτον, αντί να εστιάσετε στη σμίκρυνση ή στις βελτιώσεις χρήσης ενέργειας, εστιάστε ξανά στην ταχύτητα επεξεργασίας δημιουργώντας επεξεργαστές που είναι εξειδικευμένοι για συγκεκριμένες περιπτώσεις χρήσης. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι αντί να έχουν ένα γενικό τσιπ, οι μελλοντικοί υπολογιστές μπορεί να έχουν ένα σύμπλεγμα εξειδικευμένων τσιπ. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν τσιπ γραφικών που χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση των βιντεοπαιχνιδιών Η εισαγωγή της Google του τσιπ Tensor Processing Unit (TPU) που ειδικεύεται σε εφαρμογές μηχανικής εκμάθησης.
Τέλος, σχεδιάστε νέο λογισμικό και υποδομές cloud που μπορούν να λειτουργούν ταχύτερα και πιο αποτελεσματικά χωρίς να χρειάζονται πυκνότερα/μικρότερα μικροτσίπ.

Ποια επιλογή θα επιλέξει η βιομηχανία τεχνολογίας μας; Ρεαλιστικά: όλοι τους.

Η σανίδα σωτηρίας για τον νόμο του Μουρ

Η παρακάτω λίστα είναι μια σύντομη ματιά στις βραχυπρόθεσμες και μακροπρόθεσμες καινοτομίες που θα χρησιμοποιήσουν οι ανταγωνιστές στη βιομηχανία ημιαγωγών για να διατηρήσουν ζωντανό τον νόμο του Moore. Αυτό το μέρος είναι λίγο πυκνό, αλλά θα προσπαθήσουμε να το διατηρήσουμε ευανάγνωστο.

Νανοϋλικά. Οι κορυφαίες εταιρείες ημιαγωγών, όπως η Intel, έχουν ήδη ανακοινώσει ότι θα το κάνουν ρίξτε πυρίτιο μόλις φτάσουν σε κλίμακες σμίκρυνσης επτά νανομέτρων (7nm). Οι υποψήφιοι για αντικατάσταση του πυριτίου περιλαμβάνουν το αντιμονίδιο του ινδίου (InSb), το αρσενίδιο του γαλλίου του ινδίου (InGaAs) και το πυρίτιο-γερμάνιο (SiGe), αλλά το υλικό που ενθουσιάζεται περισσότερο φαίνεται να είναι νανοσωλήνες άνθρακα. Κατασκευασμένοι από γραφίτη - και οι ίδιοι μια σύνθετη στοίβα από το θαυμαστό υλικό, το γραφένιο - οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να γίνουν παχύ άτομα, είναι εξαιρετικά αγώγιμα και εκτιμάται ότι θα κάνουν μελλοντικά μικροτσίπ έως και πέντε φορές πιο γρήγορα έως το 2020.

Οπτικός υπολογισμός. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις σχετικά με το σχεδιασμό των τσιπ είναι η διασφάλιση ότι τα ηλεκτρόνια δεν μεταπηδούν από το ένα τρανζίστορ στο άλλο—μια σκέψη που γίνεται απείρως δυσκολότερη μόλις μπείτε στο ατομικό επίπεδο. Η αναδυόμενη τεχνολογία των οπτικών υπολογιστών φαίνεται να αντικαθιστά τα ηλεκτρόνια με φωτόνια, με τα οποία το φως (όχι ο ηλεκτρισμός) περνά από τρανζίστορ σε τρανζίστορ. σε 2017, οι ερευνητές έκαναν ένα τεράστιο βήμα προς αυτόν τον στόχο, επιδεικνύοντας την ικανότητα αποθήκευσης πληροφοριών που βασίζονται στο φως (φωτόνια) ως ηχητικά κύματα σε ένα τσιπ υπολογιστή. Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, τα μικροτσίπ θα μπορούσαν να λειτουργήσουν κοντά στην ταχύτητα του φωτός μέχρι το 2025.

Spintronics. Πάνω από δύο δεκαετίες στην ανάπτυξη, τα σπιντρονικά τρανζίστορ προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν το «σπιν» ενός ηλεκτρονίου αντί για το φορτίο του για να αναπαραστήσουν πληροφορίες. Αν και απέχει πολύ από την εμπορευματοποίηση, εάν επιλυθεί, αυτή η μορφή τρανζίστορ θα χρειαστεί μόνο 10-20 millivolt για να λειτουργήσει, εκατοντάδες φορές μικρότερα από τα συμβατικά τρανζίστορ. Αυτό θα άρει επίσης τα προβλήματα υπερθέρμανσης που αντιμετωπίζουν οι εταιρείες ημιαγωγών όταν παράγουν όλο και μικρότερα τσιπ.

Νευρομορφικοί υπολογιστές και memristors. Μια άλλη νέα προσέγγιση για την επίλυση αυτής της διαφαινόμενης κρίσης επεξεργασίας βρίσκεται στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Οι ερευνητές της IBM και της DARPA, ειδικότερα, ηγούνται της ανάπτυξης ενός νέου είδους μικροτσίπ - ενός τσιπ του οποίου τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν σχεδιαστεί για να μιμούνται την πιο αποκεντρωμένη και μη γραμμική προσέγγιση του εγκεφάλου στους υπολογιστές. (Δείτε αυτό άρθρο ScienceBlogs για να κατανοήσουμε καλύτερα τις διαφορές μεταξύ του ανθρώπινου εγκεφάλου και των υπολογιστών.) Τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα τσιπ που μιμούνται τον εγκέφαλο δεν είναι μόνο σημαντικά πιο αποτελεσματικά, αλλά λειτουργούν με απίστευτα λιγότερη ισχύ από τα σημερινά μικροτσίπ.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την ίδια προσέγγιση μοντελοποίησης εγκεφάλου, το ίδιο το τρανζίστορ, το παροιμιώδες δομικό στοιχείο του μικροτσίπ του υπολογιστή σας, μπορεί σύντομα να αντικατασταθεί από το memristor. Ξεκινώντας στην εποχή των «ιονικών», ένα memristor προσφέρει μια σειρά από ενδιαφέροντα πλεονεκτήματα σε σχέση με το παραδοσιακό τρανζίστορ:

Πρώτον, τα memristors μπορούν να θυμούνται τη ροή ηλεκτρονίων που τους διέρχεται—ακόμη και αν διακοπεί το ρεύμα. Σε μετάφραση, αυτό σημαίνει ότι μια μέρα θα μπορούσατε να ενεργοποιήσετε τον υπολογιστή σας με την ίδια ταχύτητα με τη λάμπα σας.
Τα τρανζίστορ είναι δυαδικά, είτε 1 είτε 0. Τα memristors, εν τω μεταξύ, μπορούν να έχουν μια ποικιλία καταστάσεων μεταξύ αυτών των άκρων, όπως 0.25, 0.5, 0.747, κ.λπ. Αυτό κάνει τα memristors να λειτουργούν παρόμοια με τις συνάψεις στον εγκέφαλό μας, και αυτό είναι μεγάλη υπόθεση, καθώς θα μπορούσε να ανοίξει μια σειρά μελλοντικών υπολογιστών δυνατότητες.
Στη συνέχεια, τα memristors δεν χρειάζονται πυρίτιο για να λειτουργήσουν, ανοίγοντας το δρόμο για τη βιομηχανία ημιαγωγών να πειραματιστεί με τη χρήση νέων υλικών για περαιτέρω σμίκρυνση μικροτσίπ (όπως περιγράφηκε προηγουμένως).
Τέλος, παρόμοια με τα ευρήματα της IBM και της DARPA στον νευρομορφικό υπολογισμό, τα μικροτσίπ που βασίζονται σε memristors είναι ταχύτερα, καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια και θα μπορούσαν να διατηρούν υψηλότερη πυκνότητα πληροφοριών από τα τσιπ που κυκλοφορούν αυτή τη στιγμή στην αγορά.

3D τσιπ. Τα παραδοσιακά μικροτσίπ και τα τρανζίστορ που τα τροφοδοτούν λειτουργούν σε ένα επίπεδο, δισδιάστατο επίπεδο, αλλά στις αρχές της δεκαετίας του 2010, οι εταιρείες ημιαγωγών άρχισαν να πειραματίζονται με την προσθήκη μιας τρίτης διάστασης στα τσιπ τους. Τα νέα αυτά τρανζίστορ, που ονομάζονται «finFET», έχουν ένα κανάλι που κολλάει από την επιφάνεια του τσιπ, δίνοντάς τους καλύτερο έλεγχο του τι συμβαίνει στα κανάλια τους, επιτρέποντάς τους να τρέχουν σχεδόν 40 τοις εκατό πιο γρήγορα και να λειτουργούν χρησιμοποιώντας τη μισή ενέργεια. Το μειονέκτημα, ωστόσο, είναι ότι αυτές οι μάρκες είναι σημαντικά πιο δύσκολο (δαπανηρό) να παραχθούν αυτή τη στιγμή.

Αλλά πέρα από τον επανασχεδιασμό των μεμονωμένων τρανζίστορ, το μέλλον 3D τσιπ στοχεύουν επίσης στο συνδυασμό υπολογιστών και αποθήκευσης δεδομένων σε κατακόρυφα στοιβαγμένα επίπεδα. Αυτήν τη στιγμή, οι παραδοσιακοί υπολογιστές φιλοξενούν τα memory sticks τους εκατοστά από τον επεξεργαστή τους. Αλλά με την ενσωμάτωση των στοιχείων μνήμης και επεξεργασίας, αυτή η απόσταση πέφτει από εκατοστά σε μικρόμετρα, επιτρέποντας μια τεράστια βελτίωση στις ταχύτητες επεξεργασίας και στην κατανάλωση ενέργειας.

Κβαντική υπολογιστική. Κοιτάζοντας μακρύτερα στο μέλλον, ένα μεγάλο κομμάτι υπολογιστών σε επίπεδο επιχείρησης θα μπορούσε να λειτουργήσει κάτω από τους παράξενους νόμους της κβαντικής φυσικής. Ωστόσο, λόγω της σημασίας αυτού του είδους των υπολογιστών, του δώσαμε το δικό του κεφάλαιο στο τέλος αυτής της σειράς.

Τα σούπερ μικροτσίπ δεν είναι καλή δουλειά

Εντάξει, λοιπόν, όλα αυτά που διαβάσατε παραπάνω είναι όλα καλά - μιλάμε για εξαιρετικά ενεργειακά αποδοτικά μικροτσίπ σχεδιασμένα σύμφωνα με τον ανθρώπινο εγκέφαλο που μπορούν να λειτουργούν με την ταχύτητα του φωτός - αλλά το θέμα είναι ότι η βιομηχανία κατασκευής τσιπ ημιαγωγών δεν είναι υπερβολικά πρόθυμοι να μετατρέψουν αυτές τις έννοιες σε μια πραγματικότητα μαζικής παραγωγής.

Οι τεχνολογικοί γίγαντες, όπως η Intel, η Samsung και η AMD, έχουν ήδη επενδύσει δισεκατομμύρια δολάρια εδώ και δεκαετίες για την παραγωγή παραδοσιακών μικροτσίπ με βάση το πυρίτιο. Η μετάβαση σε οποιαδήποτε από τις νέες έννοιες που αναφέρθηκαν παραπάνω θα σήμαινε την κατάργηση αυτών των επενδύσεων και τη δαπάνη δισεκατομμυρίων περισσότερων για την κατασκευή νέων εργοστασίων για τη μαζική παραγωγή νέων μοντέλων μικροτσίπ που έχουν μηδενικό ιστορικό πωλήσεων.

Δεν είναι μόνο η επένδυση χρόνου και χρήματος που κρατά πίσω αυτές τις εταιρείες ημιαγωγών. Η ζήτηση των καταναλωτών για όλο και πιο ισχυρά μικροτσίπ είναι επίσης μειούμενη. Σκεφτείτε το: Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 και των περισσότερων των 00s, ήταν σχεδόν δεδομένο ότι θα ανταλλάσσατε τον υπολογιστή ή το τηλέφωνό σας, αν όχι κάθε χρόνο, τότε κάθε δεύτερη χρονιά. Αυτό θα σας επέτρεπε να παρακολουθείτε όλο το νέο λογισμικό και τις εφαρμογές που έβγαιναν για να κάνουν τη ζωή στο σπίτι και την εργασία σας ευκολότερη και καλύτερη. Αυτές τις μέρες, πόσο συχνά κάνετε αναβάθμιση στο πιο πρόσφατο μοντέλο επιτραπέζιου ή φορητού υπολογιστή στην αγορά;

Όταν σκέφτεστε το smartphone σας, έχετε στην τσέπη σας αυτό που θα θεωρούνταν υπερυπολογιστής μόλις πριν από 20 χρόνια. Εκτός από τα παράπονα σχετικά με τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και τη μνήμη, τα περισσότερα τηλέφωνα που αγοράστηκαν από το 2016 έχουν τέλεια δυνατότητα εκτέλεσης οποιασδήποτε εφαρμογής ή παιχνιδιού για κινητά, αναπαραγωγής μουσικού βίντεο ή άτακτου facetiming με το SO σας ή οτιδήποτε άλλο θέλετε να κάνετε στο τηλέφωνο. Χρειάζεται πραγματικά να ξοδεύετε 1,000 $ ή περισσότερα κάθε χρόνο για να κάνετε αυτά τα πράγματα 10-15 τοις εκατό καλύτερα; Θα παρατηρούσατε καν τη διαφορά;

Για τους περισσότερους ανθρώπους, η απάντηση είναι όχι.

Το μέλλον του νόμου του Μουρ

Στο παρελθόν, το μεγαλύτερο μέρος της επενδυτικής χρηματοδότησης στην τεχνολογία ημιαγωγών προερχόταν από στρατιωτικές αμυντικές δαπάνες. Στη συνέχεια αντικαταστάθηκε από κατασκευαστές ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης και έως το 2020-2023, οι κύριες επενδύσεις σε περαιτέρω ανάπτυξη μικροτσίπ θα μετατοπιστούν ξανά, αυτή τη φορά από βιομηχανίες που ειδικεύονται στα εξής:

Περιεχόμενο επόμενης γενιάς. Η επερχόμενη εισαγωγή συσκευών ολογραφικής, εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας στο ευρύ κοινό θα τονώσει μεγαλύτερη ζήτηση για ροή δεδομένων, ειδικά καθώς αυτές οι τεχνολογίες ωριμάζουν και αυξάνονται σε δημοτικότητα στα τέλη της δεκαετίας του 2020.
Το cloud computing. Εξηγείται στο επόμενο μέρος αυτής της σειράς.
Αυτόνομα οχήματα. Εξηγείται διεξοδικά στο δικό μας Το μέλλον των μεταφορών σειρές.
Το διαδίκτυο των πραγμάτων. Εξηγείται στο δικό μας Το Ίντερνετ των πραγμάτων κεφάλαιο στο δικό μας Το μέλλον του Διαδικτύου σειρές.
Μεγάλα δεδομένα και αναλυτικά στοιχεία. Οι οργανισμοί που απαιτούν τακτική σύγκρουση δεδομένων—σκεφτείτε τον στρατό, την εξερεύνηση του διαστήματος, τους μετεωρολόγους, τα φαρμακευτικά προϊόντα, την επιμελητεία κ.λπ.—θα συνεχίσουν να απαιτούν ολοένα και πιο ισχυρούς υπολογιστές για να αναλύουν τα συνεχώς διευρυνόμενα σύνολα συλλεγόμενων δεδομένων τους.

Χρηματοδότηση για Ε&Α σε μικροτσίπ επόμενης γενιάς θα υπάρχει πάντα, αλλά το ερώτημα είναι εάν το επίπεδο χρηματοδότησης που απαιτείται για πιο σύνθετες μορφές μικροεπεξεργαστών μπορεί να συμβαδίσει με τις αναπτυξιακές απαιτήσεις του νόμου του Μουρ. Δεδομένου του κόστους της μετάβασης και της εμπορευματοποίησης νέων μορφών μικροτσίπ, σε συνδυασμό με την επιβράδυνση της καταναλωτικής ζήτησης, τις μελλοντικές κρίσεις του κρατικού προϋπολογισμού και την οικονομική ύφεση, οι πιθανότητες είναι ότι ο Νόμος του Μουρ θα επιβραδυνθεί ή θα σταματήσει για λίγο στις αρχές της δεκαετίας του 2020, πριν επανέλθει στα τέλη της Δεκαετία 2020, αρχές 2030.

Όσο για το γιατί ο νόμος του Μουρ θα ανεβάσει ξανά ταχύτητα, καλά, ας πούμε απλώς ότι τα μικροτσίπ με στροβιλοκινητήρα δεν είναι η μόνη επανάσταση που έρχεται στον αγωγό υπολογιστών. Στη συνέχεια, στη σειρά Future of Computers, θα εξερευνήσουμε τις τάσεις που τροφοδοτούν την ανάπτυξη του cloud computing.