قانون مور در حال محو شدن برای جرقه تجدید نظر اساسی در مورد ریزتراشه ها: آینده رایانه ها P4

کامپیوترها - آنها به نوعی یک معامله بزرگ هستند. اما برای قدردانی از روندهای نوظهوری که تاکنون در سری آینده رایانه ها به آنها اشاره کرده ایم، باید انقلاب هایی را که در خط لوله محاسباتی به سرعت در حال افزایش است یا به سادگی: آینده ریزتراشه ها را درک کنیم.

برای از بین بردن اصول اولیه، باید قانون مور را درک کنیم، قانونی که اکنون معروف است که دکتر گوردون ای. مور در سال 1965 پایه گذاری کرد. اساساً، آنچه مور در تمام آن دهه ها پیش متوجه شد این بود که تعداد ترانزیستورها در یک مدار مجتمع دو برابر می شود. هر 18 تا 24 ماه به همین دلیل است که همان کامپیوتری که امروز با قیمت 1,000 دلار می‌خرید، دو سال بعد برای شما 500 دلار هزینه خواهد داشت.

برای بیش از پنجاه سال، صنعت نیمه هادی ها مطابق با خط روند ترکیبی این قانون عمل کرده است، و راه را برای سیستم عامل های جدید، بازی های ویدیویی، پخش ویدئو، برنامه های تلفن همراه، و هر فناوری دیجیتال دیگری که فرهنگ مدرن ما را تعریف کرده است، هموار کرده است. اما در حالی که به نظر می رسد تقاضا برای این رشد تا نیم قرن دیگر ثابت می ماند، سیلیکون - ماده سنگی که همه ریزتراشه های مدرن با آن ساخته شده اند - به نظر نمی رسد که برای مدت طولانی تری پس از سال 2021 پاسخگوی این تقاضا باشد. آخرین گزارش از نقشه راه فناوری بین المللی برای نیمه هادی ها (ITRS)

این واقعاً فیزیک است: صنعت نیمه هادی ترانزیستورها را به مقیاس اتمی کوچک می کند، سیلیکون مقیاس به زودی برای آن نامناسب خواهد بود. و هر چه این صنعت بیشتر تلاش کند تا سیلیکون را از حد بهینه خود عبور دهد، هر تکامل ریزتراشه گران‌تر خواهد شد.

این جایی است که ما امروز در آن هستیم. تا چند سال دیگر، سیلیکون دیگر ماده ای مقرون به صرفه برای ساخت نسل بعدی ریزتراشه های پیشرفته نخواهد بود. این محدودیت با وادار کردن صنعت نیمه هادی (و جامعه) به انتخاب بین چند گزینه، انقلابی را در الکترونیک ایجاد می کند:

• اولین گزینه، کند کردن، یا پایان دادن به توسعه پرهزینه برای کوچک کردن بیشتر سیلیکون، به نفع یافتن راه‌های جدید برای طراحی ریزتراشه‌هایی است که قدرت پردازش بیشتری را بدون کوچک‌سازی اضافی تولید می‌کنند.

• دوم، مواد جدیدی پیدا کنید که می‌توانند در مقیاس‌های بسیار کوچک‌تری نسبت به سیلیکون دستکاری شوند تا تعداد بیشتری از ترانزیستورها را در ریزتراشه‌های متراکم‌تر قرار دهند.

• سوم، به‌جای تمرکز بر کوچک‌سازی یا بهبود مصرف انرژی، از طریق ایجاد پردازنده‌هایی که برای موارد استفاده خاص تخصصی هستند، دوباره بر سرعت پردازش تمرکز کنید. این می تواند به این معنی باشد که به جای داشتن یک تراشه عمومی، رایانه های آینده ممکن است خوشه ای از تراشه های تخصصی داشته باشند. به عنوان مثال می توان به تراشه های گرافیکی مورد استفاده برای بهبود بازی های ویدیویی اشاره کرد معرفی گوگل از تراشه واحد پردازش تنسور (TPU) که ​​در کاربردهای یادگیری ماشین تخصص دارد.

• در نهایت، نرم‌افزار جدید و زیرساخت ابری طراحی کنید که بدون نیاز به ریزتراشه‌های متراکم‌تر/کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر عمل کند.

صنعت فناوری ما کدام گزینه را انتخاب خواهد کرد؟ واقع بینانه: همه آنها.

راه نجات برای قانون مور

فهرست زیر نگاهی اجمالی به نوآوری های کوتاه مدت و بلندمدت است که رقبای صنعت نیمه هادی از آنها برای زنده نگه داشتن قانون مور استفاده می کنند. این قسمت کمی متراکم است، اما ما سعی می کنیم آن را خوانا نگه داریم.

نانومواد. شرکت های نیمه هادی پیشرو مانند اینتل قبلاً اعلام کرده اند که این کار را انجام خواهند داد رها کردن سیلیکون هنگامی که آنها به مقیاس کوچک سازی هفت نانومتری (7 نانومتر) رسیدند. نامزدهای جایگزینی سیلیکون شامل آنتی‌مونید ایندیم (InSb)، گالیم آرسنید ایندیم (InGaAs) و سیلیکون ژرمانیوم (SiGe) هستند، اما به نظر می‌رسد که ماده‌ای که بیشترین هیجان را دارد نانولوله‌های کربنی هستند. نانولوله‌های کربنی که از گرافیت ساخته شده‌اند - که خود پشته‌ای ترکیبی از ماده شگفت‌انگیز، گرافن است - می‌توان اتم‌های ضخیم نانولوله‌های کربنی ایجاد کرد، بسیار رسانا هستند و تخمین زده می‌شود که ریزتراشه‌های آینده را تا سال ۲۰۲۰ تا پنج برابر سریع‌تر بسازند.

محاسبات نوری. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در مورد طراحی تراشه‌ها این است که اطمینان حاصل شود که الکترون‌ها از یک ترانزیستور به ترانزیستور دیگر رد نمی‌شوند – موضوعی که وقتی وارد سطح اتمی می‌شوید بی‌نهایت سخت‌تر می‌شود. فناوری نوظهور محاسبات نوری به نظر می‌رسد که الکترون‌ها را با فوتون‌ها جایگزین کند، که به موجب آن نور (نه الکتریسیته) از ترانزیستوری به ترانزیستور دیگر منتقل می‌شود. در 2017، محققان با نشان دادن توانایی ذخیره اطلاعات مبتنی بر نور (فوتون) به عنوان امواج صوتی بر روی یک تراشه کامپیوتری، گامی عظیم به سمت این هدف برداشتند. با استفاده از این رویکرد، ریزتراشه ها می توانند تا سال 2025 نزدیک به سرعت نور کار کنند.

اسپینترونیک. بیش از دو دهه در توسعه، ترانزیستورهای اسپینترونیک تلاش می کنند تا از اسپین یک الکترون به جای بار آن برای نمایش اطلاعات استفاده کنند. در حالی که هنوز راه زیادی تا تجاری سازی وجود دارد، اگر این شکل از ترانزیستور حل شود، تنها به 10-20 میلی ولت برای کار نیاز دارد، صدها برابر کوچکتر از ترانزیستورهای معمولی. این همچنین مشکلات گرمای بیش از حد شرکت های نیمه هادی را در هنگام تولید تراشه های کوچکتر از بین می برد.

محاسبات نورومورفیک و ممریستورها. یکی دیگر از رویکردهای جدید برای حل این بحران در حال پردازش، در مغز انسان نهفته است. محققان IBM و دارپا، به‌ویژه، توسعه نوع جدیدی از ریزتراشه‌ها را رهبری می‌کنند - تراشه‌ای که مدارهای مجتمع آن برای تقلید از رویکرد غیرمتمرکزتر و غیرخطی مغز برای محاسبات طراحی شده‌اند. (این رو چک کن مقاله ScienceBlogs برای درک بهتر تفاوت‌های بین مغز انسان و رایانه‌ها.) نتایج اولیه نشان می‌دهد که تراشه‌هایی که مغز را تقلید می‌کنند، نه تنها به‌طور قابل‌توجهی کارآمدتر هستند، بلکه با استفاده از وات باورنکردنی کمتر نسبت به ریزتراشه‌های امروزی کار می‌کنند.

با استفاده از همین رویکرد مدل سازی مغز، خود ترانزیستور، بلوک ضرب المثل ریزتراشه رایانه شما، ممکن است به زودی با ممریستور جایگزین شود. با آغاز دوره "یونیک"، ممریستور چندین مزیت جالب را نسبت به ترانزیستور سنتی ارائه می دهد:

• ابتدا، ممریستورها می‌توانند جریان الکترون عبوری از خود را به خاطر بسپارند، حتی اگر برق قطع شود. ترجمه شده، این بدان معناست که یک روز می توانید رایانه خود را با همان سرعت لامپ خود روشن کنید.

• ترانزیستورها باینری هستند، یا 1 یا 0. در همین حال، ممریستورها می‌توانند حالت‌های مختلفی بین آن افراطی‌ها داشته باشند، مانند 0.25، 0.5، 0.747، و غیره. این باعث می‌شود ممریستورها شبیه به سیناپس‌های مغز ما عمل کنند، و این مسئله بزرگی است زیرا می‌تواند طیف وسیعی از محاسبات آینده را باز کند. ممکن ها.

• در مرحله بعد، ممریستورها برای عملکرد نیازی به سیلیکون ندارند و مسیری را برای صنعت نیمه‌رساناها باز می‌کند تا با استفاده از مواد جدید برای کوچک‌سازی بیشتر ریزتراشه‌ها (همانطور که قبلاً ذکر شد) آزمایش کند.

• در نهایت، مشابه یافته‌های IBM و DARPA در محاسبات نورومورفیک، ریزتراشه‌های مبتنی بر ممریستور سریع‌تر هستند، انرژی کمتری مصرف می‌کنند و می‌توانند تراکم اطلاعات بالاتری نسبت به تراشه‌های موجود در بازار داشته باشند.

تراشه های سه بعدی. ریزتراشه‌های سنتی و ترانزیستورهایی که آنها را تغذیه می‌کنند در یک صفحه دو بعدی و مسطح کار می‌کنند، اما در اوایل دهه 2010، شرکت‌های نیمه‌رسانا شروع به آزمایش با افزودن بعد سوم به تراشه‌های خود کردند. این ترانزیستورهای جدید که "finFET" نامیده می شوند، کانالی دارند که از سطح تراشه می چسبد و به آنها کنترل بهتری بر آنچه در کانال هایشان می گذرد می دهد و به آنها اجازه می دهد تقریباً 40 درصد سریعتر کار کنند و با استفاده از نیمی از انرژی کار کنند. اما نقطه ضعف این است که تولید این تراشه ها در حال حاضر به طور قابل توجهی دشوارتر (پرهزینه) است.

اما فراتر از طراحی مجدد هر ترانزیستور، آینده تراشه های سه بعدی همچنین هدف از ترکیب محاسبات و ذخیره سازی داده ها در لایه های عمودی است. در حال حاضر، رایانه‌های سنتی حافظه‌های خود را در فاصله سانتی‌متری از پردازنده خود قرار می‌دهند. اما با ادغام حافظه و اجزای پردازش، این فاصله از سانتی‌متر به میکرومتر کاهش می‌یابد و باعث بهبودی عظیم در سرعت پردازش و مصرف انرژی می‌شود.

محاسبات کوانتومی. با نگاهی بیشتر به آینده، بخش بزرگی از محاسبات در سطح سازمانی می تواند تحت قوانین عجیب فیزیک کوانتومی عمل کند. با این حال، به دلیل اهمیت این نوع محاسبات، ما در انتهای این مجموعه، فصل خاص خود را به آن دادیم.

ریزتراشه های فوق العاده تجارت خوبی نیستند

بسیار خوب، پس آنچه در بالا خواندید همه خوب و خوب است - ما در مورد ریزتراشه‌های بسیار کم مصرف صحبت می‌کنیم که از روی مغز انسان مدل‌سازی شده‌اند و می‌توانند با سرعت نور کار کنند - اما نکته اینجاست که صنعت ساخت تراشه‌های نیمه‌رسانا اینطور نیست. بیش از حد مشتاق تبدیل این مفاهیم به یک واقعیت تولید انبوه است.

غول‌های فناوری مانند اینتل، سامسونگ و AMD تاکنون میلیاردها دلار در طول دهه‌ها برای تولید ریزتراشه‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون سرمایه‌گذاری کرده‌اند. تغییر به هر یک از مفاهیم جدید ذکر شده در بالا به معنای کنار گذاشتن آن سرمایه گذاری ها و صرف میلیاردها دلار بیشتر برای ساخت کارخانه های جدید برای تولید انبوه مدل های ریزتراشه جدید است که سابقه فروش صفر دارند.

این فقط سرمایه گذاری زمان و پول نیست که این شرکت های نیمه هادی را عقب نگه می دارد. تقاضای مصرف کنندگان برای ریزتراشه های قوی تر نیز رو به کاهش است. در مورد آن فکر کنید: در طول دهه 90 و بیشتر دهه 00، تقریباً مسلم بود که اگر نه هر سال، یک سال در میان، رایانه یا تلفن خود را معامله کنید. این به شما این امکان را می‌دهد تا با همه نرم‌افزارها و برنامه‌های جدیدی که برای آسان‌تر و بهتر کردن زندگی خانه و کار شما عرضه می‌شوند، همراه باشید. این روزها هر چند وقت یکبار به آخرین مدل دسکتاپ یا لپ تاپ موجود در بازار ارتقا می دهید؟

وقتی به گوشی هوشمند خود فکر می کنید، چیزی را در جیب خود دارید که تا 20 سال پیش به عنوان یک ابر رایانه در نظر گرفته می شد. جدای از شکایات در مورد عمر باتری و حافظه، اکثر تلفن‌هایی که از سال 2016 خریداری شده‌اند، کاملاً قادر به اجرای هر برنامه یا بازی موبایلی، پخش هر گونه موزیک ویدیو یا جلسه‌ی بازی‌های شیطنت‌آمیز با SO خود هستند، یا هر چیز دیگری که می‌خواهید روی دستگاه خود انجام دهید. تلفن. آیا واقعاً باید هر سال 1,000 دلار یا بیشتر هزینه کنید تا این کارها را 10 تا 15 درصد بهتر انجام دهید؟ آیا حتی متوجه تفاوت می شوید؟

برای اکثر مردم، پاسخ منفی است.

آینده قانون مور

در گذشته، بیشتر سرمایه گذاری های سرمایه گذاری در فناوری نیمه هادی از هزینه های دفاعی نظامی تامین می شد. سپس توسط تولیدکنندگان لوازم الکترونیکی مصرفی جایگزین شد و تا سال 2020-2023، سرمایه‌گذاری پیشرو برای توسعه بیشتر ریزتراشه‌ها دوباره تغییر خواهد کرد، این بار از صنایع متخصص در موارد زیر:

• محتوای نسل بعدی. معرفی آتی دستگاه‌های هولوگرافیک، مجازی و واقعیت افزوده به عموم مردم، تقاضای بیشتری را برای جریان داده افزایش می‌دهد، به‌ویژه که این فناوری‌ها در اواخر دهه ۲۰۲۰ به بلوغ رسیده و محبوبیت بیشتری پیدا می‌کنند.

• پردازش ابری. در قسمت بعدی این مجموعه توضیح داده شده است.

• وسایل نقلیه خودمختار. در ما به طور کامل توضیح داده شده است آینده حمل و نقل سری.

• اینترنت اشیا در ما توضیح داده شده است اینترنت از چیزهایی فصل در ما آینده اینترنت سری.

• کلان داده و تجزیه و تحلیل. سازمان‌هایی که نیاز به خرد کردن منظم داده‌ها دارند - فکر می‌کنند ارتش، اکتشافات فضایی، پیش‌بینی‌کنندگان آب‌وهوا، داروسازی، تدارکات و غیره - همچنان به تقاضای رایانه‌های قدرتمندتر برای تجزیه و تحلیل مجموعه‌های روزافزون داده‌های جمع‌آوری‌شده خود ادامه خواهند داد.

تأمین مالی برای تحقیق و توسعه در ریزتراشه‌های نسل بعدی همیشه وجود خواهد داشت، اما سؤال اینجاست که آیا سطح بودجه مورد نیاز برای اشکال پیچیده‌تر ریزپردازنده‌ها می‌تواند با تقاضاهای رشد قانون مور مطابقت داشته باشد؟ با توجه به هزینه جابجایی و تجاری‌سازی اشکال جدید ریزتراشه‌ها، همراه با کند شدن تقاضای مصرف‌کننده، کاهش بودجه دولت در آینده و رکود اقتصادی، احتمال اینکه قانون مور در اوایل دهه 2020 برای مدت کوتاهی کاهش یابند یا متوقف شود، وجود دارد. دهه 2020، اوایل دهه 2030.

در مورد اینکه چرا قانون مور دوباره سرعت می‌گیرد، خوب، اجازه دهید بگوییم که ریزتراشه‌های توربو تنها انقلابی نیستند که در خط لوله محاسباتی ایجاد می‌شوند. در ادامه در سری آینده رایانه‌ها، روندهایی را که به رشد محاسبات ابری دامن می‌زند را بررسی خواهیم کرد.

سری آینده کامپیوترها

رابط های کاربری در حال ظهور برای تعریف مجدد بشریت: آینده رایانه ها P1

آینده توسعه نرم افزار: آینده کامپیوترها P2

انقلاب ذخیره سازی دیجیتال: آینده رایانه ها P3

رایانش ابری غیرمتمرکز می شود: آینده رایانه ها P5

چرا کشورها برای ساخت بزرگترین ابررایانه ها با هم رقابت می کنند؟ آینده کامپیوترها P6

چگونه کامپیوترهای کوانتومی جهان را تغییر خواهند داد: آینده کامپیوترها P7