Quantumrun

CRÉDITO DA IMAXE: Quantumrun

Unha lei de Moore esvaecida para provocar un replanteamento fundamental dos microchips: Future of Computers P4

David Tal, Editor, Futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Mar, 09/15/2020 - 15:39

Os ordenadores, son unha gran cousa. Pero para apreciar realmente as tendencias emerxentes que insinuamos ata o momento na nosa serie Future of Computers, tamén necesitamos comprender as revolucións que corren no proceso computacional, ou simplemente: o futuro dos microchips.

Para sacar os conceptos básicos do camiño, temos que entender a Lei de Moore, a agora famosa lei que o doutor Gordon E. Moore fundou en 1965. Esencialmente, o que Moore entendeu hai todas esas décadas é que o número de transistores nun circuíto integrado se duplica. cada 18 a 24 meses. É por iso que o mesmo ordenador que compre hoxe por 1,000 dólares custará 500 dólares dentro de dous anos.

Durante máis de cincuenta anos, a industria dos semicondutores estivo á altura da liña de tendencias de composición desta lei, abrindo o camiño para os novos sistemas operativos, videoxogos, streaming de vídeo, aplicacións móbiles e todas as outras tecnoloxías dixitais que definiron a nosa cultura moderna. Pero aínda que a demanda deste crecemento parece que se manterá constante durante outro medio século, o silicio, o material de base co que están construídos todos os microchips modernos, non parece que satisfaga esa demanda durante moito máis tempo, pasado 2021, segundo o último informe do Folla de ruta tecnolóxica internacional para semicondutores (ITRS)

Realmente é física: a industria dos semicondutores está reducindo os transistores á escala atómica, unha escala de silicio non será axeitada en breve. E canto máis esta industria intente encoller o silicio máis aló dos seus límites óptimos, máis caro será cada evolución de microchip.

Aquí é onde estamos hoxe. Dentro duns anos, o silicio deixará de ser un material rendible para construír a próxima xeración de microchips de vangarda. Este límite obrigará a unha revolución na electrónica ao obrigar á industria (e á sociedade) de semicondutores a escoller entre algunhas opcións:

A primeira opción é retardar, ou rematar, o custoso desenvolvemento para miniaturizar aínda máis o silicio, a favor de atopar novas formas de deseñar microchips que xeren máis potencia de procesamento sen miniaturización adicional.
En segundo lugar, atopar novos materiais que se poidan manipular a escalas moito máis pequenas que o silicio para encher un número cada vez maior de transistores en microchips aínda máis densos.
En terceiro lugar, en lugar de centrarse na miniaturización ou melloras no uso de enerxía, céntrase de novo na velocidade de procesamento creando procesadores especializados para casos de uso específicos. Isto podería significar que, en lugar de ter un chip xeralista, os futuros ordenadores poden ter un grupo de chips especializados. Os exemplos inclúen chips gráficos utilizados para mellorar os videoxogos Presentación de Google do chip Tensor Processing Unit (TPU) especializado en aplicacións de aprendizaxe automática.
Finalmente, deseña un novo software e unha infraestrutura de nube que poida funcionar de forma máis rápida e eficiente sen necesidade de microchips máis densos/pequenos.

Que opción escollerá a nosa industria tecnolóxica? De xeito realista: todos eles.

O salvavidas para a lei de Moore

A seguinte lista é unha breve visión das innovacións a curto e longo prazo que utilizarán os competidores da industria de semicondutores para manter viva a Lei de Moore. Esta parte é un pouco densa, pero tentaremos que sexa lexible.

nanomateriais. As principais empresas de semicondutores, como Intel, xa anunciaron que o farán soltar silicio unha vez que alcanzan escalas de miniaturización de sete nanómetros (7 nm). Os candidatos a substituír o silicio inclúen o antimoniuro de indio (InSb), o arseniuro de indio galio (InGaAs) e o silicio-xermanio (SiGe), pero o material que está a recibir máis emoción parece ser os nanotubos de carbono. Feitos de grafito, unha pila composta do material maravilloso, o grafeno, os nanotubos de carbono pódense facer átomos de grosor, son extremadamente condutores e calcúlase que farán microchips futuros ata cinco veces máis rápidos para 2020.

Informática óptica. Un dos maiores desafíos ao deseñar chips é garantir que os electróns non salten dun transistor a outro, unha consideración que se fai infinitamente máis difícil unha vez que entras no nivel atómico. A tecnoloxía emerxente da computación óptica busca substituír os electróns por fotóns, polo que a luz (non a electricidade) pasa de transistor a transistor. En 2017, os investigadores deron un paso de xigante cara a este obxectivo demostrando a capacidade de almacenar información baseada na luz (fotóns) como ondas sonoras nun chip de ordenador. Usando este enfoque, os microchips poderían operar preto da velocidade da luz para 2025.

Espintrónica. Durante dúas décadas de desenvolvemento, os transistores espintrónicos intentan usar o 'spin' dun electrón en lugar da súa carga para representar información. Aínda que aínda está moi lonxe da comercialización, se se soluciona, esta forma de transistor só necesitará 10-20 milivoltios para funcionar, centos de veces máis pequenas que os transistores convencionais; isto tamén eliminaría os problemas de sobrequecemento aos que se enfrontan as empresas de semicondutores cando producen chips cada vez máis pequenos.

Computación neuromórfica e memristores. Outro novo enfoque para resolver esta crise de procesamento inminente reside no cerebro humano. Os investigadores de IBM e DARPA, en particular, están liderando o desenvolvemento dun novo tipo de microchip, un chip cuxos circuítos integrados están deseñados para imitar o enfoque máis descentralizado e non lineal do cerebro para a computación. (Consulta isto Artigo ScienceBlogs para comprender mellor as diferenzas entre o cerebro humano e os ordenadores.) Os primeiros resultados indican que os chips que imitan o cerebro non só son significativamente máis eficientes, senón que funcionan utilizando incriblemente menos potencia que os microchips actuais.

Usando este mesmo enfoque de modelado cerebral, o propio transistor, o proverbial bloque de construción do microchip do teu ordenador, pode ser substituído en breve polo memristor. Inaugurando a era "iónica", un memristor ofrece unha serie de vantaxes interesantes sobre o transistor tradicional:

En primeiro lugar, os memristores poden lembrar o fluxo de electróns que pasan por eles, aínda que se corte a enerxía. Traducido, isto significa que algún día poderás acender o teu ordenador á mesma velocidade que a lámpada.
Os transistores son binarios, 1s ou 0s. Mentres tanto, os memristores poden ter unha variedade de estados entre eses extremos, como 0.25, 0.5, 0.747, etc. Isto fai que os memristores funcionen de forma similar ás sinapses do noso cerebro, e iso é un gran problema xa que podería abrir unha gama de computación futura. posibilidades.
A continuación, os memristores non necesitan silicio para funcionar, o que abre o camiño para que a industria de semicondutores experimente co uso de novos materiais para miniaturizar aínda máis os microchips (como se indicou anteriormente).
Finalmente, de xeito similar aos descubrimentos realizados por IBM e DARPA sobre a computación neuromórfica, os microchips baseados en memristores son máis rápidos, usan menos enerxía e poderían conter unha maior densidade de información que os chips actualmente no mercado.

chips 3D. Os microchips tradicionais e os transistores que os alimentan funcionan nun plano bidimensional, pero a principios da década de 2010, as empresas de semicondutores comezaron a experimentar coa adición dunha terceira dimensión aos seus chips. Chamados "finFET", estes novos transistores teñen unha canle que sobresale da superficie do chip, o que lles dá un mellor control sobre o que ocorre nas súas canles, o que lles permite funcionar case un 40 por cento máis rápido e funcionar usando a metade da enerxía. A desvantaxe, con todo, é que estes chips son significativamente máis difíciles (custosos) de producir neste momento.

Pero máis aló de redeseñar os transistores individuais, futuro chips 3D tamén pretenden combinar a informática e o almacenamento de datos en capas apiladas verticalmente. Agora mesmo, os ordenadores tradicionais albergan as súas memorias a centímetros do seu procesador. Pero ao integrar os compoñentes de memoria e procesamento, esta distancia cae de centímetros a micrómetros, o que permite unha mellora xigante das velocidades de procesamento e do consumo de enerxía.

Informática cuántica. Mirando máis cara ao futuro, unha gran parte da informática a nivel empresarial podería funcionar baixo as estrafalarias leis da física cuántica. Non obstante, debido á importancia deste tipo de computación, démoslle o seu propio capítulo ao final desta serie.

Os super microchips non son un bo negocio

Está ben, entón o que liches arriba está moi ben, estamos a falar de microchips ultra-eficientes enerxéticamente modelados segundo o cerebro humano que poden funcionar á velocidade da luz, pero o caso é que a industria de fabricación de chips de semicondutores non é. ansioso en exceso por converter estes conceptos nunha realidade producida en masa.

Os xigantes tecnolóxicos, como Intel, Samsung e AMD, xa investiron miles de millóns de dólares ao longo de décadas para producir microchips tradicionais baseados en silicio. Cambiar a calquera dos novos conceptos sinalados anteriormente significaría eliminar eses investimentos e gastar miles de millóns máis na construción de novas fábricas para producir en masa novos modelos de microchips que teñan un historial de vendas de cero.

Non é só o investimento de tempo e diñeiro o que está a deter estas empresas de semicondutores. A demanda dos consumidores de microchips cada vez máis potentes tamén está en diminución. Pense niso: durante a década dos 90 e a maior parte dos 00, era case un feito que cambiaría o seu ordenador ou teléfono, se non todos os anos, entón cada dous anos. Isto permitiríache estar ao día de todo o novo software e aplicacións que estaban saíndo para facer a túa vida familiar e laboral máis fácil e mellor. Nestes días, cantas veces actualizas ao último modelo de escritorio ou portátil do mercado?

Cando pensas no teu teléfono intelixente, tes no peto o que sería considerado un superordenador hai só 20 anos. Ademais das queixas sobre a duración da batería e a memoria, a maioría dos teléfonos comprados desde 2016 son perfectamente capaces de executar calquera aplicación ou xogo móbil, de transmitir calquera vídeo musical ou sesión de facetiming desagradable co teu SO, ou case calquera outra cousa que queiras facer no teu SO. teléfono. Realmente necesitas gastar 1,000 dólares ou máis ao ano para facer estas cousas un 10-15 por cento mellor? Sequera notarías a diferenza?

Para a maioría da xente, a resposta é non.

O futuro da Lei de Moore

No pasado, a maioría dos investimentos en tecnoloxía de semicondutores procedían do gasto militar en defensa. Logo foi substituído polos fabricantes de produtos electrónicos de consumo e, de 2020 a 2023, o investimento líder no desenvolvemento de microchips volverá cambiar, esta vez de industrias especializadas nos seguintes:

Contido de nova xeración. A próxima introdución de dispositivos holográficos, virtuais e de realidade aumentada ao público en xeral estimulará unha maior demanda de transmisión de datos, especialmente a medida que estas tecnoloxías maduran e medran en popularidade a finais da década de 2020.
A computación en nube. Explicado na seguinte parte desta serie.
Vehículos autónomos. Explicado a fondo no noso Futuro do Transporte serie.
Internet das cousas. Explicado no noso Internet das Cousas capítulo no noso Futuro de Internet serie.
Big data e análise. As organizacións que requiren unha análise periódica de datos, como os militares, a exploración espacial, os meteorólogos, os produtos farmacéuticos, a loxística, etc., seguirán demandando ordenadores cada vez máis potentes para analizar os seus conxuntos de datos recollidos en constante expansión.

O financiamento para a I+D en microchips de próxima xeración sempre existirá, pero a cuestión é se o nivel de financiamento necesario para formas máis complexas de microprocesadores pode seguir o ritmo das demandas de crecemento da Lei de Moore. Dado o custo de cambiar e comercializar novas formas de microchips, xunto coa desaceleración da demanda dos consumidores, as futuras contraccións orzamentarias do goberno e as recesións económicas, é probable que a Lei de Moore desacelere ou deteña brevemente a principios da década de 2020, antes de retomar a finais de 2020. 2030, principios de XNUMX.

En canto a por que a Lei de Moore vai coller velocidade de novo, bo, digamos que os microchips turboalimentados non son a única revolución que se está a producir no proceso de computación. A continuación, na nosa serie Future of Computers, exploraremos as tendencias que impulsan o crecemento da computación en nube.