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Una legge di Moore in dissolvenza per innescare un ripensamento fondamentale dei microchip: Future of Computers P4

David Tal, editore, futurista
@DavidTalWrites
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Mar, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Computer: sono un grosso problema. Ma per apprezzare davvero le tendenze emergenti a cui abbiamo accennato finora nella nostra serie Future of Computers, dobbiamo anche comprendere le rivoluzioni che stanno precipitando lungo la pipeline computazionale, o semplicemente: il futuro dei microchip.

Per eliminare le basi, dobbiamo capire la legge di Moore, l'ormai famosa legge fondata dal dottor Gordon E. Moore nel 1965. In sostanza, ciò che Moore ha realizzato tutti quei decenni fa è che il numero di transistor in un circuito integrato raddoppia ogni 18-24 mesi. Questo è il motivo per cui lo stesso computer che acquisti oggi per $ 1,000 ti costerà $ 500 tra due anni.

Per oltre cinquant'anni, l'industria dei semiconduttori è stata all'altezza della linea di tendenza aggressiva di questa legge, aprendo la strada a nuovi sistemi operativi, videogiochi, streaming video, app mobili e ogni altra tecnologia digitale che ha definito la nostra cultura moderna. Ma mentre la domanda di questa crescita sembra che rimarrà stabile per un altro mezzo secolo, il silicio, il materiale di base con cui sono costruiti tutti i moderni microchip, non sembra soddisfare tale domanda per molto più tempo dopo il 2021, secondo il ultimo rapporto del Roadmap tecnologica internazionale per i semiconduttori (ITRS)

È davvero fisica: l'industria dei semiconduttori sta riducendo i transistor alla scala atomica, una scala di silicio per cui presto non sarà adatta. E più questa industria cercherà di ridurre il silicio oltre i suoi limiti ottimali, più costosa diventerà l'evoluzione di ogni microchip.

Ecco a che punto siamo oggi. Tra pochi anni, il silicio non sarà più un materiale conveniente per costruire la prossima generazione di microchip all'avanguardia. Questo limite forzerà una rivoluzione nell'elettronica costringendo l'industria (e la società) dei semiconduttori a scegliere tra alcune opzioni:

La prima opzione è rallentare o interrompere lo sviluppo costoso per miniaturizzare ulteriormente il silicio, a favore della ricerca di nuovi modi per progettare microchip che generino più potenza di elaborazione senza miniaturizzazione aggiuntiva.
In secondo luogo, trovare nuovi materiali che possano essere manipolati su scale molto più piccole del silicio per inserire un numero sempre maggiore di transistor in microchip ancora più densi.
Terzo, invece di concentrarti sulla miniaturizzazione o sul miglioramento dell'utilizzo dell'energia, concentrati nuovamente sulla velocità di elaborazione attraverso la creazione di processori specializzati per casi d'uso specifici. Ciò potrebbe significare, invece di avere un chip generico, i futuri computer potrebbero avere un cluster di chip specializzati. Gli esempi includono i chip grafici utilizzati per migliorare i videogiochi L'introduzione di Google del chip Tensor Processing Unit (TPU) specializzato in applicazioni di machine learning.
Infine, progetta un nuovo software e un'infrastruttura cloud in grado di funzionare in modo più rapido ed efficiente senza la necessità di microchip più densi/piccoli.

Quale opzione sceglierà il nostro settore tecnologico? Realisticamente: tutti.

L'ancora di salvezza per la legge di Moore

L'elenco seguente offre un breve assaggio delle innovazioni a breve e lungo termine che i concorrenti nell'industria dei semiconduttori utilizzeranno per mantenere viva la legge di Moore. Questa parte è un po' densa, ma cercheremo di mantenerla leggibile.

Nanomateriali. Le principali società di semiconduttori, come Intel, hanno già annunciato che lo faranno goccia di silicio una volta raggiunte scale di miniaturizzazione di sette nanometri (7nm). I candidati per sostituire il silicio includono l'antimonide di indio (InSb), l'arseniuro di indio gallio (InGaAs) e il silicio-germanio (SiGe), ma il materiale che sta suscitando maggiore entusiasmo sembra essere i nanotubi di carbonio. Realizzati in grafite, a sua volta una pila composita del materiale meraviglioso, il grafene, i nanotubi di carbonio possono essere formati da atomi spessi, sono estremamente conduttivi e si stima che producano microchip futuri fino a cinque volte più veloci entro il 2020.

Calcolo ottico. Una delle maggiori sfide nella progettazione di chip è garantire che gli elettroni non saltino da un transistor all'altro, una considerazione che diventa infinitamente più difficile una volta entrato nel livello atomico. La tecnologia emergente del calcolo ottico cerca di sostituire gli elettroni con i fotoni, per cui la luce (non l'elettricità) viene passata da un transistor all'altro. in 2017, i ricercatori hanno compiuto un passo da gigante verso questo obiettivo dimostrando la capacità di memorizzare informazioni basate sulla luce (fotoni) come onde sonore su un chip di computer. Utilizzando questo approccio, i microchip potrebbero funzionare a velocità prossime alla luce entro il 2025.

spintronica. In due decenni di sviluppo, i transistor spintronici tentano di utilizzare lo "spin" di un elettrone invece della sua carica per rappresentare l'informazione. Sebbene sia ancora molto lontano dalla commercializzazione, se risolta, questa forma di transistor avrà bisogno solo di 10-20 millivolt per funzionare, centinaia di volte più piccola dei transistor convenzionali; ciò eliminerebbe anche i problemi di surriscaldamento che le aziende di semiconduttori devono affrontare quando producono chip sempre più piccoli.

Calcolo neuromorfico e memristori. Un altro nuovo approccio per risolvere questa incombente crisi di elaborazione risiede nel cervello umano. I ricercatori di IBM e DARPA, in particolare, stanno guidando lo sviluppo di un nuovo tipo di microchip, un chip i cui circuiti integrati sono progettati per imitare l'approccio più decentralizzato e non lineare del cervello all'informatica. (Controlla questo Articolo di ScienceBlogs per comprendere meglio le differenze tra il cervello umano e i computer.) I primi risultati indicano che i chip che imitano il cervello non solo sono significativamente più efficienti, ma funzionano utilizzando una potenza incredibilmente inferiore rispetto ai microchip attuali.

Utilizzando questo stesso approccio di modellazione del cervello, il transistor stesso, il proverbiale elemento costitutivo del microchip del tuo computer, potrebbe presto essere sostituito dal memristor. Entrando nell'era "ionica", un memristor offre una serie di interessanti vantaggi rispetto al transistor tradizionale:

In primo luogo, i memristori possono ricordare il flusso di elettroni che li attraversa, anche se viene interrotta l'alimentazione. Tradotto, questo significa che un giorno potresti accendere il tuo computer alla stessa velocità della tua lampadina.
I transistor sono binari, 1 o 0. I memristori, nel frattempo, possono avere una varietà di stati tra questi estremi, come 0.25, 0.5, 0.747, ecc. Questo fa sì che i memristori funzionino in modo simile alle sinapsi nel nostro cervello, e questo è un grosso problema poiché potrebbe aprire una gamma di future computazioni possibilità.
Successivamente, i memristori non hanno bisogno del silicio per funzionare, aprendo la strada all'industria dei semiconduttori per sperimentare l'utilizzo di nuovi materiali per miniaturizzare ulteriormente i microchip (come descritto in precedenza).
Infine, analogamente alle scoperte fatte da IBM e DARPA sull'informatica neuromorfica, i microchip basati su memristori sono più veloci, consumano meno energia e potrebbero contenere una densità di informazioni maggiore rispetto ai chip attualmente sul mercato.

Chip 3D. I microchip tradizionali e i transistor che li alimentano operano su un piano piatto e bidimensionale, ma all'inizio degli anni 2010 le aziende di semiconduttori hanno iniziato a sperimentare l'aggiunta di una terza dimensione ai propri chip. Chiamati "finFET", questi nuovi transistor hanno un canale che sporge dalla superficie del chip, offrendo loro un controllo migliore su ciò che accade nei loro canali, consentendo loro di funzionare quasi il 40% più velocemente e di funzionare utilizzando metà dell'energia. Lo svantaggio, tuttavia, è che questi chip sono significativamente più difficili (costosi) da produrre al momento.

Ma oltre a riprogettare i singoli transistor, il futuro Chip 3D mirano anche a combinare elaborazione e archiviazione dei dati in livelli impilati verticalmente. In questo momento, i computer tradizionali ospitano le loro memory stick a pochi centimetri dal suo processore. Ma integrando la memoria e i componenti di elaborazione, questa distanza scende da centimetri a micrometri, consentendo un enorme miglioramento delle velocità di elaborazione e del consumo di energia.

Calcolo quantistico. Guardando più avanti nel futuro, una grossa fetta dell'informatica a livello aziendale potrebbe funzionare secondo le leggi bizzarre della fisica quantistica. Tuttavia, vista l'importanza di questo tipo di elaborazione, gli abbiamo assegnato un capitolo proprio alla fine di questa serie.

I super microchip non sono un buon affare

Ok, quindi quello che hai letto sopra è tutto a posto - stiamo parlando di microchip ultra efficienti dal punto di vista energetico modellati sul cervello umano che può funzionare alla velocità della luce - ma il fatto è che l'industria della produzione di chip per semiconduttori non lo è eccessivamente desideroso di trasformare questi concetti in una realtà prodotta in serie.

I giganti della tecnologia, come Intel, Samsung e AMD, hanno già investito miliardi di dollari in decenni per produrre microchip tradizionali a base di silicio. Passare a uno qualsiasi dei nuovi concetti sopra menzionati significherebbe demolire quegli investimenti e spendere miliardi in più per costruire nuove fabbriche per produrre in serie nuovi modelli di microchip che hanno un track record di vendite pari a zero.

Non sono solo gli investimenti di tempo e denaro a trattenere queste società di semiconduttori. Anche la domanda dei consumatori per microchip sempre più potenti è in declino. Pensaci: durante gli anni '90 e la maggior parte degli anni 00, era quasi scontato che dovessi scambiare il tuo computer o telefono, se non ogni anno, ogni due anni. Ciò ti permetterebbe di tenere il passo con tutti i nuovi software e applicazioni che stavano uscendo per rendere la tua vita domestica e lavorativa più facile e migliore. Al giorno d'oggi, con quale frequenza esegui l'aggiornamento all'ultimo modello di desktop o laptop sul mercato?

Quando pensi al tuo smartphone, hai in tasca quello che sarebbe stato considerato un supercomputer solo 20 anni fa. A parte le lamentele sulla durata della batteria e sulla memoria, la maggior parte dei telefoni acquistati dal 2016 è perfettamente in grado di eseguire qualsiasi app o gioco per cellulare, di trasmettere in streaming qualsiasi video musicale o sessione di facetiming birichina con il tuo SO o qualsiasi altra cosa tu voglia fare sul tuo Telefono. Hai davvero bisogno di spendere $ 1,000 o più ogni anno per fare queste cose meglio del 10-15 percento? Ti accorgeresti anche della differenza?

Per la maggior parte delle persone, la risposta è no.

Il futuro della legge di Moore

In passato, la maggior parte dei finanziamenti per gli investimenti nella tecnologia dei semiconduttori proveniva dalle spese per la difesa militare. È stato quindi sostituito dai produttori di elettronica di consumo e, entro il 2020-2023, gli investimenti principali nell'ulteriore sviluppo di microchip si sposteranno di nuovo, questa volta da settori specializzati in quanto segue:

Contenuti di nuova generazione. La prossima introduzione di dispositivi olografici, virtuali e di realtà aumentata presso il pubblico in generale stimolerà una maggiore domanda di streaming di dati, soprattutto perché queste tecnologie maturano e crescono in popolarità durante la fine degli anni 2020.
Il cloud computing. Spiegato nella parte successiva di questa serie.
Veicoli autonomi. Spiegato a fondo nel ns Futuro dei trasporti serie.
Internet delle cose. Spiegato nel ns Internet delle cose capitolo nel ns Futuro di Internet serie.
Big data e analisi. Le organizzazioni che richiedono un'elaborazione regolare dei dati, come l'esercito, l'esplorazione spaziale, i meteorologi, i prodotti farmaceutici, la logistica, ecc., continueranno a richiedere computer sempre più potenti per analizzare i loro set di dati raccolti in continua espansione.

I finanziamenti per la ricerca e lo sviluppo sui microchip di prossima generazione esisteranno sempre, ma la domanda è se il livello di finanziamento necessario per le forme più complesse di microprocessori possa tenere il passo con le richieste di crescita della legge di Moore. Dato il costo del passaggio e della commercializzazione di nuove forme di microchip, insieme al rallentamento della domanda dei consumatori, alle future crisi di bilancio del governo e alle recessioni economiche, è probabile che la legge di Moore rallenti o si fermi brevemente all'inizio degli anni '2020, prima di riprendersi alla fine Anni 2020, primi anni 2030.

Per quanto riguarda il motivo per cui la legge di Moore riprenderà velocità, beh, diciamo solo che i microchip turbo non sono l'unica rivoluzione in arrivo nella pipeline informatica. Successivamente, nella nostra serie Future of Computers, esploreremo le tendenze che alimentano la crescita del cloud computing.