lari kuantum

KREDIT GAMBAR: lari kuantum

Hukum Moore yang memudar untuk memicu pemikiran ulang mendasar tentang microchip: Masa Depan Komputer P4

David Tal, Penerbit, Futuris
@DavidTalWrites
LinkedIn

Sel, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Komputer—mereka adalah masalah besar. Tetapi untuk benar-benar menghargai tren yang muncul yang telah kami isyaratkan sejauh ini dalam seri Future of Computers kami, kami juga perlu memahami revolusi yang berlari ke bawah pipa komputasi, atau sederhananya: masa depan microchip.

Untuk memahami dasar-dasarnya, kita harus memahami Hukum Moore, hukum yang sekarang terkenal Dr. Gordon E. Moore didirikan pada tahun 1965. Pada dasarnya, apa yang Moore sadari beberapa dekade yang lalu adalah bahwa jumlah transistor dalam sirkuit terpadu berlipat ganda setiap 18 sampai 24 bulan. Inilah sebabnya mengapa komputer yang sama yang Anda beli hari ini seharga $1,000 akan dikenakan biaya $500 dua tahun dari sekarang.

Selama lebih dari lima puluh tahun, industri semikonduktor telah memenuhi garis tren peracikan undang-undang ini, membuka jalan bagi sistem operasi baru, video game, streaming video, aplikasi seluler, dan setiap teknologi digital lainnya yang telah mendefinisikan budaya modern kita. Tetapi sementara permintaan untuk pertumbuhan ini tampaknya akan tetap stabil selama setengah abad lagi, silikon—bahan dasar yang digunakan untuk membuat semua microchip modern—tampaknya tidak akan memenuhi permintaan itu untuk waktu yang lebih lama setelah tahun 2021—menurut laporan terakhir dari Roadmap Teknologi Internasional untuk Semikonduktor (ITRS)

Ini benar-benar fisika: industri semikonduktor menyusutkan transistor ke skala atom, silikon skala akan segera tidak layak. Dan semakin industri ini mencoba untuk mengecilkan silikon melewati batas optimalnya, semakin mahal setiap evolusi microchip akan menjadi.

Di sinilah kita berada hari ini. Dalam beberapa tahun, silikon tidak akan lagi menjadi bahan yang hemat biaya untuk membangun generasi berikutnya dari microchip mutakhir. Batas ini akan memaksa revolusi dalam elektronik dengan memaksa industri semikonduktor (dan masyarakat) untuk memilih di antara beberapa opsi:

Pilihan pertama adalah memperlambat, atau mengakhiri, pengembangan mahal untuk lebih lanjut miniaturisasi silikon, demi menemukan cara baru untuk merancang microchip yang menghasilkan lebih banyak kekuatan pemrosesan tanpa miniaturisasi tambahan.
Kedua, temukan bahan baru yang dapat dimanipulasi pada skala yang jauh lebih kecil daripada silikon untuk memasukkan transistor dalam jumlah yang lebih besar ke dalam microchip yang lebih padat.
Ketiga, alih-alih berfokus pada miniaturisasi atau peningkatan penggunaan daya, fokuskan kembali pada kecepatan pemrosesan melalui pembuatan prosesor yang dikhususkan untuk kasus penggunaan tertentu. Ini bisa berarti alih-alih memiliki satu chip generalis, komputer masa depan mungkin memiliki sekelompok chip spesialis. Contohnya termasuk chip grafis yang digunakan untuk meningkatkan video game untuk pengenalan Google chip Tensor Processing Unit (TPU) yang berspesialisasi dalam aplikasi pembelajaran mesin.
Terakhir, rancang perangkat lunak dan infrastruktur cloud baru yang dapat beroperasi lebih cepat dan efisien tanpa memerlukan microchip yang lebih padat/kecil.

Opsi mana yang akan dipilih oleh industri teknologi kita? Secara realistis: semuanya.

Garis hidup untuk Hukum Moore

Daftar berikut adalah pandangan sekilas tentang inovasi jangka pendek dan jangka panjang yang akan digunakan pesaing dalam industri semikonduktor untuk menjaga Hukum Moore tetap hidup. Bagian ini agak padat, tetapi kami akan mencoba membuatnya tetap dapat dibaca.

Nanomaterials. Perusahaan semikonduktor terkemuka, seperti Intel, telah mengumumkan bahwa mereka akan jatuhkan silikon begitu mereka mencapai skala miniaturisasi tujuh nanometer (7nm). Kandidat untuk menggantikan silikon termasuk indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), dan silikon-germanium (SiGe) tetapi bahan yang paling menarik tampaknya adalah karbon nanotube. Terbuat dari grafit—itu sendiri merupakan tumpukan komposit dari bahan ajaib, graphene—nanotube karbon dapat dibuat setebal atom, sangat konduktif, dan diperkirakan membuat microchip masa depan hingga lima kali lebih cepat pada tahun 2020.

Komputasi optik. Salah satu tantangan terbesar dalam merancang chip adalah memastikan bahwa elektron tidak berpindah dari satu transistor ke transistor lainnya—pertimbangan yang menjadi jauh lebih sulit setelah Anda memasuki tingkat atom. Teknologi komputasi optik yang muncul terlihat menggantikan elektron dengan foton, di mana cahaya (bukan listrik) diteruskan dari transistor ke transistor. Dalam 2017, para peneliti mengambil langkah besar menuju tujuan ini dengan menunjukkan kemampuan untuk menyimpan informasi berbasis cahaya (foton) sebagai gelombang suara pada chip komputer. Dengan menggunakan pendekatan ini, microchip dapat beroperasi mendekati kecepatan cahaya pada tahun 2025.

Spintronika. Lebih dari dua dekade dalam pengembangan, transistor spintronic mencoba menggunakan 'putaran' elektron alih-alih muatannya untuk mewakili informasi. Meskipun masih jauh dari komersialisasi, jika dipecahkan, transistor bentuk ini hanya membutuhkan 10-20 milivolt untuk beroperasi, ratusan kali lebih kecil dari transistor konvensional; ini juga akan menghilangkan masalah panas berlebih yang dihadapi perusahaan semikonduktor saat memproduksi chip yang semakin kecil.

Komputasi neuromorfik dan memristor. Pendekatan baru lainnya untuk memecahkan krisis pemrosesan yang menjulang ini terletak pada otak manusia. Para peneliti di IBM dan DARPA, khususnya, memimpin pengembangan microchip jenis baru—sebuah chip yang sirkuit terpadunya dirancang untuk meniru pendekatan komputasi otak yang lebih terdesentralisasi dan non-linear. (Lihat ini artikel ScienceBlogs untuk lebih memahami perbedaan antara otak manusia dan komputer.) Hasil awal menunjukkan bahwa chip yang meniru otak tidak hanya secara signifikan lebih efisien, tetapi juga beroperasi menggunakan watt yang jauh lebih kecil daripada microchip saat ini.

Dengan menggunakan pendekatan pemodelan otak yang sama, transistor itu sendiri, blok pembangun mikrochip komputer Anda, akan segera digantikan oleh memristor. Mengantar era "ionik", memristor menawarkan sejumlah keunggulan menarik dibandingkan transistor tradisional:

Pertama, memristor dapat mengingat aliran elektron yang melewatinya—bahkan jika listrik terputus. Diterjemahkan, ini berarti suatu hari Anda dapat menyalakan komputer Anda dengan kecepatan yang sama dengan bola lampu Anda.
Transistor adalah biner, baik 1s atau 0s. Memristor, sementara itu, dapat memiliki berbagai keadaan di antara ekstrem tersebut, seperti 0.25, 0.5, 0.747, dll. Ini membuat memristor beroperasi mirip dengan sinapsis di otak kita, dan itu masalah besar karena dapat membuka berbagai komputasi masa depan kemungkinan.
Selanjutnya, memristor tidak memerlukan silikon untuk berfungsi, membuka jalan bagi industri semikonduktor untuk bereksperimen dengan menggunakan bahan baru untuk lebih mengecilkan microchip (seperti yang diuraikan sebelumnya).
Akhirnya, mirip dengan temuan yang dibuat oleh IBM dan DARPA ke dalam komputasi neuromorfik, microchip berdasarkan memristor lebih cepat, menggunakan lebih sedikit energi, dan dapat menyimpan kepadatan informasi yang lebih tinggi daripada chip yang ada di pasaran saat ini.

chip 3D. Microchip tradisional dan transistor yang menggerakkannya beroperasi pada bidang datar dua dimensi, tetapi pada awal 2010-an, perusahaan semikonduktor mulai bereksperimen dengan menambahkan dimensi ketiga ke chip mereka. Disebut 'finFET', transistor baru ini memiliki saluran yang menonjol dari permukaan chip, memberi mereka kontrol yang lebih baik atas apa yang terjadi di saluran mereka, memungkinkan mereka berjalan hampir 40 persen lebih cepat, dan beroperasi menggunakan setengah energi. Kelemahannya, bagaimanapun, adalah bahwa chip ini secara signifikan lebih sulit (mahal) untuk diproduksi saat ini.

Tapi di luar mendesain ulang transistor individu, masa depan chip 3D juga bertujuan untuk menggabungkan komputasi dan penyimpanan data dalam lapisan yang ditumpuk secara vertikal. Saat ini, komputer tradisional menyimpan memory stick mereka beberapa sentimeter dari prosesornya. Tetapi dengan mengintegrasikan memori dan komponen pemrosesan, jarak ini turun dari sentimeter ke mikrometer, memungkinkan peningkatan besar dalam kecepatan pemrosesan dan konsumsi energi.

Komputasi kuantum. Melihat lebih jauh ke masa depan, sebagian besar komputasi tingkat perusahaan dapat beroperasi di bawah hukum fisika kuantum yang aneh. Namun, karena pentingnya komputasi semacam ini, kami memberikan bab tersendiri di akhir seri ini.

Microchip super bukanlah bisnis yang baik

Oke, jadi apa yang Anda baca di atas semuanya baik-baik saja—kita berbicara tentang microchip ultra hemat energi yang dimodelkan setelah otak manusia yang dapat berjalan dengan kecepatan cahaya—tetapi masalahnya, industri pembuatan chip semikonduktor tidak terlalu bersemangat untuk mengubah konsep-konsep ini menjadi kenyataan yang diproduksi secara massal.

Raksasa teknologi, seperti Intel, Samsung, dan AMD, telah menginvestasikan miliaran dolar selama beberapa dekade untuk memproduksi mikrochip tradisional berbasis silikon. Beralih ke salah satu konsep baru yang disebutkan di atas berarti menghapus investasi tersebut dan menghabiskan miliaran lebih banyak untuk membangun pabrik baru guna memproduksi massal model microchip baru yang memiliki rekam jejak penjualan nol.

Bukan hanya investasi waktu dan uang yang menahan perusahaan semikonduktor ini. Permintaan konsumen untuk microchip yang lebih kuat juga semakin berkurang. Pikirkan tentang ini: Selama tahun 90-an dan sebagian besar tahun 00-an, hampir pasti Anda akan berdagang di komputer atau telepon Anda, jika tidak setiap tahun, maka setiap tahun. Ini akan memungkinkan Anda mengikuti semua perangkat lunak dan aplikasi baru yang keluar untuk membuat rumah dan kehidupan kerja Anda lebih mudah dan lebih baik. Saat ini, seberapa sering Anda melakukan upgrade ke model desktop atau laptop terbaru di pasaran?

Ketika Anda memikirkan ponsel cerdas Anda, di saku Anda ada apa yang akan dianggap sebagai superkomputer hanya 20 tahun yang lalu. Selain keluhan tentang masa pakai baterai dan memori, sebagian besar ponsel yang dibeli sejak 2016 sangat mampu menjalankan aplikasi atau game seluler apa pun, streaming video musik apa pun atau sesi facetiming nakal dengan SO Anda, atau hampir semua hal lain yang ingin Anda lakukan di komputer Anda. telepon. Apakah Anda benar-benar perlu menghabiskan $1,000 atau lebih setiap tahun untuk melakukan hal-hal ini 10-15 persen lebih baik? Apakah Anda akan menyadari perbedaannya?

Bagi kebanyakan orang, jawabannya adalah tidak.

Masa depan Hukum Moore

Di masa lalu, sebagian besar pendanaan investasi ke dalam teknologi semikonduktor berasal dari pengeluaran pertahanan militer. Kemudian digantikan oleh produsen elektronik konsumen, dan pada tahun 2020-2023, investasi utama dalam pengembangan microchip lebih lanjut akan bergeser lagi, kali ini dari industri yang mengkhususkan diri dalam hal berikut:

Konten Generasi Berikutnya. Pengenalan perangkat holografik, virtual, dan augmented reality yang akan datang ke masyarakat umum akan memacu permintaan yang lebih besar untuk streaming data, terutama karena teknologi ini matang dan semakin populer selama akhir 2020-an.
Cloud computing. Dijelaskan di bagian selanjutnya dari seri ini.
Kendaraan otonom. Dijelaskan secara menyeluruh di kami Masa Depan Transportasi series.
Internet untuk segala. Dijelaskan dalam kami Internet of Things bab di kami Masa Depan Internet series.
Data besar dan analitik. Organisasi yang memerlukan pengolahan data secara teratur—misalnya militer, eksplorasi ruang angkasa, prakiraan cuaca, farmasi, logistik, dll.—akan terus menuntut komputer yang semakin canggih untuk menganalisis kumpulan data yang dikumpulkan yang terus berkembang.

Pendanaan untuk R&D ke dalam microchip generasi berikutnya akan selalu ada, tetapi pertanyaannya adalah apakah tingkat pendanaan yang dibutuhkan untuk bentuk mikroprosesor yang lebih kompleks dapat memenuhi tuntutan pertumbuhan Hukum Moore. Mengingat biaya beralih ke dan mengkomersialkan bentuk-bentuk baru microchip, ditambah dengan permintaan konsumen yang melambat, krisis anggaran pemerintah di masa depan dan resesi ekonomi, kemungkinan Hukum Moore akan melambat atau berhenti sebentar di awal 2020-an, sebelum meningkat kembali pada akhir tahun. 2020-an, awal 2030-an.

Adapun mengapa Hukum Moore akan menambah kecepatan lagi, anggap saja microchip bertenaga turbo bukan satu-satunya revolusi yang turun dalam pipa komputasi. Selanjutnya dalam seri Future of Computers kami, kami akan mengeksplorasi tren yang mendorong pertumbuhan komputasi awan.