Quantumrun

MYNDAGREIÐSLA: Quantumrun

Dvínandi lögmál Moores til að kveikja grundvallar endurhugsun um örflögur: Framtíð tölvunnar P4

David Tal, útgefandi, framtíðarfræðingur
@DavidTalWrites
LinkedIn

Þri, 09 - 15:2020

Tölvur — þær eru soldið mikið mál. En til að meta raunverulega þróunina sem við höfum gefið í skyn hingað til í Future of Computers seríunni okkar, þurfum við líka að skilja byltingarnar sem spretta niður reiknilínuna, eða einfaldlega: framtíð örflaga.

Til að fá grunnatriðin úr vegi verðum við að skilja lög Moores, hið fræga lögmál sem Dr. Gordon E. Moore stofnaði árið 1965. Í meginatriðum, það sem Moore gerði sér grein fyrir fyrir öllum þessum áratugum er að fjöldi smára í samþættri hringrás tvöfaldast. á 18 til 24 mánaða fresti. Þetta er ástæðan fyrir því að sama tölvan og þú kaupir í dag fyrir $1,000 mun kosta þig $500 eftir tveimur árum.

Í meira en fimmtíu ár hefur hálfleiðaraiðnaðurinn staðið undir samsettri stefnulínu þessara laga, sem rutt brautina fyrir nýju stýrikerfin, tölvuleiki, straumspilun, farsímaforrit og hverja aðra stafræna tækni sem hefur skilgreint nútímamenningu okkar. En á meðan eftirspurnin eftir þessum vexti virðist vera stöðug í enn eina hálfa öld í viðbót, þá virðist kísill - berggrunnsefnið sem allar nútíma örflögur eru smíðaðar með - ekki eins og hann muni mæta þeirri eftirspurn miklu lengur fram yfir 2021 - skv. síðasta skýrsla frá Alþjóðleg tæknileiðvísi fyrir hálfleiðara (ITRS)

Það er eðlisfræði í raun og veru: hálfleiðaraiðnaðurinn er að minnka smára í lotumælikvarða, kísill mun brátt verða óhæfur fyrir. Og því meira sem þessi iðnaður reynir að minnka sílikon framhjá kjörmörkum sínum, því dýrari verður hver þróun örflaga.

Þetta er þar sem við erum stödd í dag. Eftir nokkur ár verður kísill ekki lengur hagkvæmt efni til að smíða næstu kynslóð háþróaðra örflaga. Þessi mörk munu knýja fram byltingu í rafeindatækni með því að neyða hálfleiðaraiðnaðinn (og samfélagið) til að velja á milli nokkurra valkosta:

Fyrsti kosturinn er að hægja á, eða binda enda á, kostnaðarsama þróun til að smækka sílikon enn frekar, í þágu þess að finna nýjar leiðir til að hanna örflögur sem búa til meiri vinnsluorku án frekari smæðunar.
Í öðru lagi, finndu ný efni sem hægt er að vinna með á mun minni mælikvarða en sílikon til að troða sífellt meiri fjölda smára í enn þéttari örflögur.
Í þriðja lagi, í stað þess að einbeita sér að smæðun eða endurbótum á orkunotkun, skaltu endurfókusa á hraða vinnslunnar með því að búa til örgjörva sem eru sérhæfðir fyrir sérstök notkunartilvik. Þetta gæti þýtt að í stað þess að vera með eina almenna flís, gætu framtíðartölvur verið með hóp af sérflögum. Sem dæmi má nefna grafíkflögur sem notaðar eru til að bæta tölvuleiki til Kynning frá Google af Tensor Processing Unit (TPU) flögunni sem sérhæfir sig í vélanámsforritum.
Að lokum, hannaðu nýjan hugbúnað og skýjainnviði sem geta starfað hraðar og skilvirkari án þess að þurfa þéttari/minni örflögur.

Hvaða kost mun tækniiðnaðurinn okkar velja? Raunhæft: þau öll.

Líflínan fyrir lögmál Moores

Eftirfarandi listi er stutt innsýn í næstu og langtíma nýjungar sem samkeppnisaðilar innan hálfleiðaraiðnaðarins munu nota til að halda lögmáli Moore á lífi. Þessi hluti er dálítið þéttur, en við reynum að halda honum læsilegum.

Nanomaterials. Leiðandi hálfleiðarafyrirtæki, eins og Intel, hafa þegar tilkynnt að þau muni gera það slepptu sílikoni þegar þeir ná smækkunarkvarða upp á sjö nanómetra (7nm). Frambjóðendur til að skipta um sílikon eru meðal annars indíum antímóníð (InSb), indíum gallíum arseníð (InGaAs) og sílikon-germaníum (SiGe) en efnið sem er að fá mesta spennu virðist vera kolefni nanórör. Búið til úr grafíti - sjálft samsettur stafli af undraefninu, grafeni - er hægt að gera kolefnis nanórör að þykkum atómum, eru mjög leiðandi og áætlað er að framtíðar örflögur verði allt að fimm sinnum hraðari árið 2020.

Optical computing. Ein stærsta áskorunin við að hanna flís er að tryggja að rafeindir sleppi ekki frá einum smári til annars - íhugun sem verður óendanlega erfiðari þegar þú ferð inn á frumeindastigið. Hin nýja tækni sjónrænna tölvunar lítur út fyrir að skipta út rafeindum fyrir ljóseindir, þar sem ljós (ekki rafmagn) fer frá smára til smára. í 2017, tóku vísindamenn risastórt skref í átt að þessu markmiði með því að sýna fram á getu til að geyma ljós-undirstaða upplýsingar (ljóseindir) sem hljóðbylgjur á tölvukubb. Með því að nota þessa nálgun gætu örflögur starfað nálægt ljóshraða árið 2025.

Spintronics. Á tveimur áratugum í þróun reyna spíntrónískir smári að nota „snúning“ rafeindarinnar í stað hleðslu hennar til að tákna upplýsingar. Þó að það sé enn langt frá markaðssetningu, ef það leysist, mun þetta form smára aðeins þurfa 10-20 millivolt til að starfa, hundruð sinnum minni en hefðbundnir smára; þetta myndi einnig fjarlægja ofþensluvandamál sem hálfleiðarafyrirtæki standa frammi fyrir þegar þeir framleiða sífellt smærri flís.

Neuromorphic computing og memristor. Önnur ný nálgun til að leysa þessa yfirvofandi vinnslukreppu liggur í mannsheilanum. Sérstaklega eru vísindamenn hjá IBM og DARPA að leiða þróun nýrrar tegundar örflögu — flís þar sem samþættar hringrásir eru hannaðar til að líkja eftir dreifðari og ólínulegri nálgun heilans við tölvumál. (Kíktu á þetta ScienceBlogs grein til að skilja betur muninn á mannsheilanum og tölvum.) Snemma niðurstöður benda til þess að flísar sem líkja eftir heilanum séu ekki aðeins marktækt skilvirkari, heldur nota þær ótrúlega minna afl en örflögur í dag.

Með því að nota þessa sömu heilalíkanaaðferð gæti smáranum sjálfum, hinni orðskviðu byggingareiningu örflögunnar í tölvunni þinni, brátt verið skipt út fyrir memristorinn. Með því að hefja „jóník“ tímabilið býður memristor upp á ýmsa áhugaverða kosti umfram hefðbundna smára:

Í fyrsta lagi geta memristorar munað rafeindaflæðið sem fer í gegnum þá - jafnvel þótt rafmagnið sé slitið. Þýtt þýðir þetta að einn daginn gætirðu kveikt á tölvunni á sama hraða og ljósaperan.
Smári eru tvíundir, annaðhvort 1s eða 0s. Memristors geta á sama tíma haft margvísleg ástand á milli þessara öfga, eins og 0.25, 0.5, 0.747, o.s.frv. Þetta gerir það að verkum að memristors starfa svipað og taugamótin í heila okkar, og það er mikið mál þar sem það gæti opnað fyrir fjölda framtíðartölvu möguleika.
Næst þurfa memristorar ekki sílikon til að virka, sem opnar leið fyrir hálfleiðaraiðnaðinn til að gera tilraunir með að nota ný efni til að smækka örflögurnar frekar (eins og lýst er hér að framan).
Að lokum, svipað og niðurstöðurnar sem IBM og DARPA hafa gert í taugamótunartölvu, eru örflögur sem byggjast á memristorum hraðari, nota minni orku og gætu haldið meiri upplýsingaþéttleika en flögur sem eru á markaðnum.

3D flísar. Hefðbundnar örflögur og smára sem knýja þá starfa á sléttu tvívíðu plani, en snemma á tíunda áratugnum hófu hálfleiðarafyrirtæki að gera tilraunir með að bæta þriðju víddinni við flögurnar sínar. Þessir nýju smári eru kallaðir „finFET“ og eru með rás sem festist upp frá yfirborði flíssins, sem gefur þeim betri stjórn á því sem gerist í rásum þeirra, sem gerir þeim kleift að keyra næstum 2010 prósent hraðar og nota helming orkunnar. Gallinn er hins vegar sá að þessar flögur eru verulega erfiðari (kostnaðarsamari) í framleiðslu eins og er.

En fyrir utan að endurhanna einstaka smára, framtíð 3D flísar miða einnig að því að sameina tölvumál og gagnageymslu í lóðrétt stöfluðum lögum. Núna hýsa hefðbundnar tölvur minniskubba sína sentímetra frá örgjörvanum. En með því að samþætta minni og vinnsluhluti minnkar þessi fjarlægð úr sentimetrum í míkrómetra, sem gerir risabata í vinnsluhraða og orkunotkun.

Skammtafræði. Þegar horft er lengra inn í framtíðina, gæti stór hluti af tölvuvinnslu fyrirtækja starfað undir skrítnum lögmálum skammtafræðinnar. Hins vegar, vegna mikilvægis þessa tegundar tölvuvinnslu, gáfum við henni sinn eigin kafla í lok þessarar seríu.

Ofur örflögur eru ekki góð viðskipti

Allt í lagi, svo það sem þú lest hér að ofan er allt í góðu og góðu – við erum að tala um ofurorkunýtnar örflögur sem eru gerðar eftir mannsheilanum sem geta keyrt á ljóshraða – en málið er að hálfleiðaraflísaframleiðslan er ekki of fús til að breyta þessum hugtökum í fjöldaframleiddan veruleika.

Tæknirisar, eins og Intel, Samsung og AMD, hafa þegar fjárfest milljarða dollara í áratugi til að framleiða hefðbundnar, sílikon-undirstaða örflögur. Að skipta yfir í eitthvað af nýju hugtökum sem bent er á hér að ofan myndi þýða að hætta við þessar fjárfestingar og eyða milljörðum meira í að reisa nýjar verksmiðjur til að fjöldaframleiða nýjar örflögulíkön sem hafa söluferil sem er núll.

Það er ekki bara fjárfestingin í tíma og peningum sem heldur aftur af þessum hálfleiðarafyrirtækjum. Eftirspurn neytenda eftir sífellt öflugri örflögum er einnig á undanhaldi. Hugsaðu um það: Á 90 og mest af 00s var það nánast sjálfgefið að þú myndir versla með tölvuna þína eða símann, ef ekki á hverju ári, þá annað hvert ár. Þetta myndi leyfa þér að fylgjast með öllum nýjum hugbúnaði og forritum sem voru að koma út til að gera heimili þitt og vinnu lífið auðveldara og betra. Hversu oft uppfærir þú þessa dagana í nýjustu borðtölvu- eða fartölvugerðina á markaðnum?

Þegar þú hugsar um snjallsímann þinn hefurðu í vasanum það sem hefði verið talið ofurtölva fyrir aðeins 20 árum síðan. Fyrir utan kvartanir um endingu rafhlöðunnar og minni, eru flestir símar sem keyptir eru síðan 2016 fullkomlega færir um að keyra hvaða forrit eða farsímaleik sem er, streyma hvaða tónlistarmyndbandi sem er eða óþekkur andlitstími með SO-inu þínu, eða flest allt annað sem þú vilt gera á síma. Þarftu virkilega að eyða $1,000 eða meira á hverju ári til að gera þessa hluti 10-15 prósent betur? Myndirðu jafnvel taka eftir muninum?

Fyrir flesta er svarið nei.

Framtíð lögmáls Moores

Áður fyrr kom mest fjárfestingarfjármögnun í hálfleiðaratækni frá útgjöldum til hernaðarvarna. Það var síðan skipt út fyrir raftækjaframleiðendur fyrir neytendur og árið 2020-2023 mun leiðandi fjárfesting í frekari þróun örflaga breytast aftur, að þessu sinni frá atvinnugreinum sem sérhæfa sig í eftirfarandi:

Næsta kynslóð efni. Komandi kynning á hólógrafískum, sýndar- og auknum veruleikatækjum fyrir almenning mun ýta undir meiri eftirspurn eftir gagnastraumi, sérstaklega þar sem þessi tækni þroskast og vaxa í vinsældum seint á 2020.
Cloud computing. Útskýrt í næsta hluta þessarar seríu.
Sjálfstæð ökutæki. Útskýrt rækilega í okkar Framtíð samgöngumála röð.
Internet hlutanna. Útskýrt í okkar Internet á Things kafla í okkar Framtíð internetsins röð.
Stór gögn og greiningar. Stofnanir sem krefjast reglulegrar gagnaöflunar – hugsaðu um herinn, geimrannsóknir, veðurspámenn, lyfjafyrirtæki, flutninga osfrv. – munu halda áfram að krefjast sífellt öflugri tölvur til að greina sífellt stækkandi safn af söfnuðum gögnum.

Fjármögnun til rannsókna og þróunar í næstu kynslóðar örflögur verður alltaf til, en spurningin er hvort fjármögnunarstigið sem þarf fyrir flóknari form örgjörva geti fylgt vaxtarkröfum laga Moores. Miðað við kostnaðinn við að skipta yfir í og markaðssetja nýjar örflögur, ásamt hægari eftirspurn neytenda, kreppu í fjárlögum í framtíðinni og efnahagssamdrætti, eru líkurnar á því að lögmál Moores muni hægja á eða stöðvast í stutta stund í byrjun 2020, áður en það tekur við aftur seint. 2020, byrjun 2030.

Hvað varðar hvers vegna lögmál Moore mun taka upp hraða aftur, við skulum bara segja að túrbóknúnar örflögur eru ekki eina byltingin sem kemur niður í tölvuleiðslunni. Næst í Future of Computers röðinni okkar munum við kanna þróunina sem ýtir undir vöxt tölvuskýja.