Quantumrun

Ofbyldingskredyt: Quantumrun

In fading Moore's Law om fûnemintele opnij te tinken oer mikrochips: Future of Computers P4

David Tal, útjouwer, Futurist
@DavidTalwrites
LinkedIn

Di, 09/15/2020 - 15:39

Kompjûters - se binne wat in grut probleem. Mar om de opkommende trends wirklik te wurdearjen dy't wy oant no ta hawwe oanwiisd yn ús Future of Computers-searje, moatte wy ek de revolúsjes begripe dy't de berekkeningspipeline sprintsje, of gewoan: de takomst fan mikrochips.

Om de basis út 'e wei te krijen, moatte wy de wet fan Moore begripe, de no ferneamde wet dy't Dr Gordon E. Moore oprjochte yn 1965. Yn essinsje, wat Moore al dy tsientallen jierren lyn realisearre is dat it oantal transistors yn in yntegreare circuit ferdûbele elke 18 oan 24 moannen. Dit is de reden dat deselde kompjûter dy't jo hjoed keapje foar $ 1,000 jo twa jier fan no $ 500 kostet.

Foar mear as fyftich jier hat de semiconductor-yndustry de gearstalde trendline fan dizze wet foldien, en it paad pleatst foar de nije bestjoeringssystemen, fideospultsjes, streaming fideo, mobile apps, en elke oare digitale technology dy't ús moderne kultuer hat definieare. Mar wylst de fraach nei dizze groei liket as sil it noch in heale ieu stabyl bliuwe, sil silisium - it basismateriaal wêrmei alle moderne mikrochips binne boud - net lykje dat it sil foldwaan oan dy fraach foar folle langer foarby 2021 - neffens de lêste ferslach fan de International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

It is natuerkunde echt: de semiconductor-yndustry krimpt transistors nei de atomêre skaal, in silisium op skaal sil ynkoarten net geskikt wêze foar. En hoe mear dizze yndustry besiket silisium foarby syn optimale grinzen te krimpen, de djoerder sil elke mikrochipevolúsje wurde.

Dit is wêr't wy hjoed binne. Oer in pear jier sil silisium net langer in kosten-effektyf materiaal wêze om de folgjende generaasje moderne mikrochips te bouwen. Dizze limyt sil in revolúsje yn elektroanika twinge troch de semiconductor-yndustry (en maatskippij) te twingen om te kiezen tusken in pear opsjes:

De earste opsje is om kostbere ûntwikkeling te fertrage of te beëinigjen om silisium fierder te miniaturisearjen, yn it foardiel fan it finen fan nije manieren om mikrochips te ûntwerpen dy't mear ferwurkingskrêft generearje sûnder ekstra miniaturisaasje.
Twads, fyn nije materialen dy't kinne wurde manipulearre op folle lytsere skalen dan silisium om hieltyd gruttere oantallen transistors yn noch tichtere mikrochips te stopjen.
Tredde, ynstee fan te fokusjen op miniaturisaasje of ferbetteringen fan enerzjyferbrûk, fokusje opnij op 'e snelheid fan ferwurking troch it meitsjen fan processors dy't spesjalisearre binne foar spesifike gebrûksgefallen. Dit kin betsjutte ynstee fan ien generalist-chip, takomstige kompjûters meie in kluster fan spesjalistyske chips hawwe. Foarbylden befetsje graphics chips brûkt om te ferbetterjen fideospultsjes oan Google syn yntroduksje fan 'e Tensor Processing Unit (TPU)-chip dy't spesjalisearre is yn applikaasjes foar masine-learen.
Uteinlik ûntwerpe nije software en wolkynfrastruktuer dy't rapper en effisjinter kinne operearje sûnder tichtere / lytsere mikrochips nedich te wêzen.

Hokker opsje sil ús technyske yndustry kieze? Realistysk: allegearre.

De lifeline foar Moore's Law

De folgjende list is in koarte blik op 'e ynnovaasjes op' e heule en lange termyn dy't konkurrinten yn 'e semiconductorsektor sille brûke om Moore's Law yn libben te hâlden. Dit diel is wat ticht, mar wy sille besykje it lêsber te hâlden.

Nanomaterialen. Leadende semiconductor bedriuwen, lykas Intel, hawwe al oankundige dat se sille drop silisium ienris berikke se miniaturisaasjeskalen fan sân nanometer (7nm). Kandidaten om silisium te ferfangen omfetsje indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), en silisium-germanium (SiGe), mar it materiaal dat de measte opwining krijt liket koalstofnanotubes te wêzen. Makke fan grafyt - sels in gearstalde stapel fan it wûndermateriaal, grafeen - koalstofnanobuisjes kinne atomen dik wurde makke, binne ekstreem geleidend, en wurde rûsd om takomstige mikrochips oant fiif kear flugger te meitsjen yn 2020.

Optical computing. Ien fan 'e grutste útdagings by it ûntwerpen fan chips is derfoar te soargjen dat elektroanen net fan de iene transistor nei de oare oerslaan - in konsideraasje dy't ûneinich dreger wurdt as jo ienris it atoomnivo ynfiere. De opkommende technyk fan optyske komputer liket elektroanen te ferfangen troch fotonen, wêrby't ljocht (net elektrisiteit) fan transistor nei transistor trochjûn wurdt. yn 2017, ûndersikers namen in gigantyske stap nei dit doel troch de mooglikheid te demonstrearjen om ljocht-basearre ynformaasje (fotonen) te bewarjen as lûdwellen op in kompjûterchip. Mei dizze oanpak kinne mikrochips yn 2025 tichtby de snelheid fan ljocht operearje.

Spintronics. Mear as twa desennia yn ûntwikkeling besykje spintronyske transistors de 'spin' fan in elektron te brûken ynstee fan syn lading om ynformaasje te representearjen. Wylst noch in lange wei fan kommersjalisaasje, as oplost, sil dizze foarm fan transistor allinich 10-20 millivolt nedich wêze om te operearjen, hûnderten kearen lytser as konvinsjonele transistors; dit soe ek fuortsmite de oververhitting problemen semiconductor bedriuwen face doe't produsearje hieltyd lytsere chips.

Neuromorphyske komputer en memristors. In oare nije oanpak foar it oplossen fan dizze dreigende ferwurkingskrisis leit yn it minsklik brein. Undersikers by IBM en DARPA, yn it bysûnder, liede de ûntwikkeling fan in nij soarte mikrochip - in chip wêrfan de yntegreare circuits binne ûntworpen om de mear desintralisearre en net-lineêre oanpak fan it harsens foar kompjûterjen te mimikjen. (Besjoch dit ScienceBlogs artikel om de ferskillen tusken it minsklik brein en kompjûters better te begripen.) Iere resultaten jouwe oan dat chips dy't it harsens mimikearje, net allinich signifikant effisjinter binne, mar se operearje mei unbelievabel minder wattage as hjoeddeistige mikrochips.

Mei dizze selde oanpak foar harsenmodellering kin de transistor sels, it sprekwurdlike boublok fan 'e mikrochip fan jo kompjûter, ynkoarten wurde ferfongen troch de memristor. Ynliedend yn it "ionics" tiidrek, biedt in memristor in oantal nijsgjirrige foardielen boppe de tradisjonele transistor:

Earst kinne memristors de elektroanenstream ûnthâlde dy't troch har giet - sels as de macht wurdt ôfsnien. Oerset betsjut dit dat jo op in dei jo kompjûter op deselde snelheid kinne oansette as jo gloeilampe.
Transistors binne binêr, itsij 1s of 0s. Memristors kinne ûnderwilens in ferskaat oan steaten hawwe tusken dy ekstremen, lykas 0.25, 0.5, 0.747, ensfh. Dit makket memristors fergelykber mei de synapsen yn ús harsens, en dat is in grut probleem, om't it in berik fan takomstige komputer kin iepenje mooglikheden.
Folgjende hawwe memristors gjin silisium nedich om te funksjonearjen, it iepenjen fan it paad foar de semiconductorsektor om te eksperimintearjen mei it brûken fan nije materialen om mikrochips fierder te miniaturisearjen (lykas earder sketst).
Uteinlik, fergelykber mei de befiningen makke troch IBM en DARPA yn neuromorphyske komputer, binne mikrochips basearre op memristors rapper, brûke minder enerzjy en kinne in hegere ynformaasjetichtens hâlde dan chips dy't op it stuit op 'e merke binne.

3D chips. Tradysjonele mikrochips en de transistors dy't se oandriuwe operearje op in plat, twadimensjonaal fleantúch, mar yn 'e iere 2010's begûnen semiconductor bedriuwen te eksperimintearjen mei it tafoegjen fan in tredde diminsje oan har chips. Neamd 'finFET', dizze nije transistors hawwe in kanaal dat stekt omheech fan de chip syn oerflak, jaan harren bettere kontrôle oer wat plakfynt yn harren kanalen, sadat se rinne hast 40 prosint flugger, en operearje mei help fan de helte fan de enerzjy. It neidiel is lykwols dat dizze chips op it stuit signifikant dreger (koster) binne om te produsearjen.

Mar fierder it werynrjochtsjen fan de yndividuele transistors, takomst 3D chips ek fan doel te kombinearjen computing en gegevens opslach yn fertikaal steapele lagen. Op it stuit, tradisjonele kompjûters húsfesting harren ûnthâld sticks sintimeter fan syn prosessor. Mar troch it yntegrearjen fan it ûnthâld en de ferwurkingskomponinten sakket dizze ôfstân fan sintimeter nei mikrometer, wêrtroch in gigantyske ferbettering fan ferwurkingssnelheden en enerzjyferbrûk mooglik is.

Kwantumcomputing. Sjoch fierder yn 'e takomst, in grut stik fan komputer op bedriuwsnivo koe operearje ûnder de freaky wetten fan' e kwantumfysika. Fanwegen it belang fan dit soarte fan kompjûterjen joegen wy it lykwols in eigen haadstik oan 'e ein fan dizze searje.

Super mikrochips binne gjin goed bedriuw

Okee, dus wat jo hjirboppe lêze is alles goed en goed - wy prate oer ultra enerzjysunige mikrochips modeleare nei it minsklik brein dat kin rinne mei de snelheid fan ljocht - mar it ding is dat de yndustry foar it meitsjen fan semiconductorchips net is oerdreaun om dizze konsepten yn in massa-produsearre werklikheid te meitsjen.

Tech-giganten, lykas Intel, Samsung en AMD, hawwe al tsientallen jierren miljarden dollars ynvestearre om tradisjonele, silisium-basearre mikrochips te produsearjen. Ferhúzje nei ien fan 'e hjirboppe neamde nije konsepten soe betsjutte dat dizze ynvestearrings skrast wurde en miljarden mear útjaan oan it bouwen fan nije fabriken om nije mikrochipmodellen massaal te produsearjen dy't in ferkeaprekord fan nul hawwe.

It is net allinich de ynvestearring yn tiid en jild dy't dizze semiconductorbedriuwen weromhâldt. De fraach fan konsuminten nei hieltyd machtiger mikrochips nimt ek ôf. Tink der oer nei: Yn 'e jierren '90 en it grutste part fan 'e 00's wie it hast in gegeven dat jo jo kompjûter of tillefoan ynruile, sa net elk jier, dan elk jier. Hjirmei kinne jo byhâlde mei alle nije software en applikaasjes dy't útkamen om jo thús- en wurklibben makliker en better te meitsjen. Hoe faak upgrade jo dizze dagen nei it lêste buroblêd- of laptopmodel op 'e merke?

As jo tinke oan jo smartphone, hawwe jo yn jo bûse wat krekt 20 jier lyn as in superkomputer beskôge wurde soe. Njonken klachten oer batterijlibben en ûnthâld, binne de measte tillefoans dy't sûnt 2016 kocht binne perfoarst yn steat om elke app of mobyl spultsje út te fieren, elke muzykfideo of stoute facetiming-sesje te streamen mei jo SO, of meast alles wat jo wolle dwaan op jo telefoan. Moatte jo elk jier $ 1,000 of mear besteegje om dizze dingen 10-15 prosint better te dwaan? Soene jo sels it ferskil fernimme?

Foar de measte minsken is it antwurd nee.

De takomst fan Moore's Law

Yn it ferline kaam de measte ynvestearringsfinansiering yn semiconductor-tech út militêre definsjeútjeften. It waard doe ferfongen troch fabrikanten fan konsuminteelektronika, en troch 2020-2023 sil liedende ynvestearring yn fierdere mikrochipûntwikkeling wer ferskowe, dizze kear fan yndustry dy't spesjalisearje yn 'e folgjende:

Folgjende-Gen ynhâld. De kommende yntroduksje fan holografyske, firtuele en augmented reality-apparaten oan it algemien publyk sil in gruttere fraach nei datastreaming stimulearje, foaral om't dizze technologyen yn 'e lette 2020's folwoeksen wurde en yn populariteit groeie.
Cloud computing. Taljochte yn it folgjende diel fan dizze rige.
Autonome weinen. Yngeand útlein yn ús Future of Transportation searje.
Ynternet fan dingen. Taljochte yn ús Ynternet of Things haadstik yn ús Takomst fan it ynternet searje.
Grutte gegevens en analytyk. Organisaasjes dy't reguliere gegevens crunching fereaskje - tink oan it militêr, romteferkenning, waarfoarsizzers, farmaseutyske produkten, logistyk, ensfh. - sille trochgean om hieltyd machtiger kompjûters te freegjen om har hieltyd útwreidzjende sets fan sammele gegevens te analysearjen.

Finansiering foar R&D yn mikrochips fan folgjende generaasje sil altyd bestean, mar de fraach is oft it finansieringsnivo dat nedich is foar mear komplekse foarmen fan mikroprocessors kin byhâlde mei de groeieasken fan Moore's Law. Sjoen de kosten fan it oerskeakeljen nei en kommersjalisearjen fan nije foarmen fan mikrochips, kombineare mei fertragende fraach fan konsuminten, takomstige oerheidsbudzjetkraken en ekonomyske resesjes, binne de kânsen dat de wet fan Moore yn 'e iere 2020's stadichoan sil fertrage of koart stopje, foardat it weromkomt troch de lette 2020's, begjin 2030's.

Wat wêrom't de wet fan Moore wer snelheid sil ophelje, no, lit ús gewoan sizze dat turbo-oandreaune mikrochips net de ienige revolúsje binne dy't de komputerpipeline delkomt. Folgjende yn ús Future of Computers-searje, sille wy de trends ferkenne dy't de groei fan cloud computing stimulearje.