חוק מור דועך שעורר חשיבה מחודשת על שבבים: עתיד המחשבים P4

מחשבים - הם סוג של עניין גדול. אבל כדי להעריך באמת את המגמות המתעוררות שרמזנו עליהן עד כה בסדרת עתיד המחשבים שלנו, עלינו להבין גם את המהפכות שצומחות בצנרת החישובית, או פשוט: עתיד המיקרו-שבבים.

כדי להוציא את היסודות מהדרך, עלינו להבין את חוק מור, החוק המפורסם כיום שד"ר גורדון א. מור ייסד בשנת 1965. בעיקרו של דבר, מה שמור הבין לפני כל העשורים הללו הוא שמספר הטרנזיסטורים במעגל משולב מוכפל. כל 18 עד 24 חודשים. זו הסיבה שאותו מחשב שאתה קונה היום ב-1,000 דולר יעלה לך 500 דולר בעוד שנתיים.

במשך למעלה מחמישים שנה, תעשיית המוליכים למחצה עומדת בקו המגמה המורכב של החוק הזה, וסוללת את הדרך למערכות ההפעלה החדשות, משחקי הווידאו, הזרמת וידאו, אפליקציות סלולריות וכל טכנולוגיה דיגיטלית אחרת שהגדירה את התרבות המודרנית שלנו. אבל בעוד שהביקוש לגידול זה נראה כאילו הוא יישאר יציב עוד חצי מאה, הסיליקון - חומר הסלע שבו בנויים כל השבבים המודרניים - לא נראה שהוא יענה על הביקוש הזה עוד הרבה יותר מ-2021 - על פי דיווח אחרון מה מפת דרכים טכנולוגית בינלאומית עבור מוליכים למחצה (ITRS)

זו בעצם פיזיקה: תעשיית המוליכים למחצה מכווץ טרנזיסטורים לקנה מידה אטומי, סיליקון בקנה מידה לא יהיה מתאים בקרוב. וככל שהתעשייה הזו תנסה לכווץ את הסיליקון מעבר לגבולות האופטימליים שלה, כך כל אבולוציה של שבב תהפוך יקרה יותר.

זה המקום שבו אנחנו נמצאים היום. בעוד כמה שנים, הסיליקון כבר לא יהיה חומר חסכוני לבניית הדור הבא של שבבים חדישים. מגבלה זו תאלץ מהפכה בתחום האלקטרוניקה בכך שתאלץ את תעשיית המוליכים למחצה (והחברה) לבחור בין כמה אפשרויות:

• האפשרות הראשונה היא להאט או לסיים את הפיתוח היקר למזעור נוסף של הסיליקון, לטובת מציאת דרכים חדשות לתכנון מיקרו-שבבים שמייצרים יותר כוח עיבוד ללא מזעור נוסף.

• שנית, מצאו חומרים חדשים שניתן לתמרן בקנה מידה קטן בהרבה מסיליקון כדי לדחוס מספר גדול מתמיד של טרנזיסטורים לתוך שבבים צפופים עוד יותר.

• שלישית, במקום להתמקד בשיפורי מזעור או צריכת חשמל, התמקדו מחדש במהירות העיבוד באמצעות יצירת מעבדים המתמחים למקרי שימוש ספציפיים. פירוש הדבר יכול להיות שבמקום שיהיה שבב כללי אחד, ייתכן שלמחשבים עתידיים יהיה מקבץ של שבבים מומחים. דוגמאות כוללות שבבים גרפיים המשמשים לשיפור משחקי וידאו ההקדמה של גוגל של שבב Tensor Processing Unit (TPU) המתמחה ביישומי למידת מכונה.

• לבסוף, תכנן תוכנה חדשה ותשתית ענן שיכולה לפעול מהר יותר ויעילה יותר ללא צורך בשבבים צפופים/קטנים יותר.

באיזו אפשרות תבחר תעשיית הטכנולוגיה שלנו? מציאותית: כולם.

חבל ההצלה לחוק מור

הרשימה הבאה היא הצצה קצרה לחידושים הקרובים והארוכי טווח שבהם ישתמשו המתחרים בתעשיית המוליכים למחצה כדי לשמור על חוק מור בחיים. החלק הזה קצת צפוף, אבל ננסה לשמור אותו קריא.

ננו. חברות מוליכים למחצה מובילות, כמו אינטל, כבר הודיעו שיעשו זאת טיפה סיליקון ברגע שהם מגיעים לסולמות מזעור של שבעה ננומטר (7 ננומטר). המועמדים להחליף סיליקון כוללים אינדיום אנטימוניד (InSb), אינדיום גליום ארסניד (InGaAs) וסיליקון-גרמניום (SiGe) אך נראה שהחומר שמעורר את ההתרגשות הוא ננו-צינורות פחמן. עשויות מגרפיט - בעצמו ערימה מרוכבת של חומר הפלא, גרפן - ניתן להפוך את ננו-צינורות הפחמן לאטומים עבים, הם מוליכים במיוחד, וההערכה היא שייצרו שבבים עתידיים במהירות עד פי חמישה עד 2020.

מחשוב אופטי. אחד האתגרים הגדולים ביותר בתכנון שבבים הוא להבטיח שהאלקטרונים לא ידלגו מטרנזיסטור אחד למשנהו - שיקול שנעשה קשה לאין שיעור ברגע שנכנסים לרמה האטומית. הטכנולוגיה המתפתחת של מחשוב אופטי מחפשת להחליף אלקטרונים בפוטונים, לפיה אור (לא חשמל) עובר מטרנזיסטור לטרנזיסטור. ב 2017, חוקרים עשו צעד ענק לעבר מטרה זו על ידי הדגמת היכולת לאחסן מידע מבוסס אור (פוטונים) כגלי קול על שבב מחשב. באמצעות גישה זו, מיקרו-שבבים יכולים לפעול ליד מהירות האור עד 2025.

ספינטרוניקה. במשך שני עשורים בפיתוח, טרנזיסטורים ספינטרוניים מנסים להשתמש ב'ספין' של אלקטרון במקום במטען שלו כדי לייצג מידע. אמנם עדיין רחוק ממסחור, אם ייפתר, צורה זו של טרנזיסטור תזדקק ל-10-20 מילי-וולט בלבד כדי לפעול, קטן מאות מונים מטרנזיסטורים רגילים; זה גם יסיר את בעיות התחממות יתר שעומדות בפני חברות מוליכים למחצה כשהן מייצרות שבבים קטנים מתמיד.

מחשוב נוירומורפי וממריסטורים. גישה חדשה נוספת לפתרון משבר העיבוד הממשמש ובא נמצאת במוח האנושי. חוקרים ב-IBM וב-DARPA, בפרט, מובילים את הפיתוח של סוג חדש של מיקרו-שבב - שבב שהמעגלים המשולבים שלו נועדו לחקות את הגישה המבוזרת והלא-לינארית יותר של המוח למחשוב. (בדוק את זה מאמר ScienceBlogs כדי להבין טוב יותר את ההבדלים בין המוח האנושי למחשבים.) תוצאות מוקדמות מצביעות על כך ששבבים המחקים את המוח הם לא רק יעילים יותר באופן משמעותי, אלא שהם פועלים תוך שימוש בפחות הספק באופן בלתי יאומן מאשר שבבי מיקרו של היום.

באמצעות אותה גישת מודלים מוחי, הטרנזיסטור עצמו, אבן הבניין הפתגמית של המיקרו-שבב של המחשב שלך, עשוי להיות מוחלף בקרוב על ידי הממריסטור. מכניסה לעידן ה"יונים", ממריסטור מציע מספר יתרונות מעניינים על פני הטרנזיסטור המסורתי:

• ראשית, ממריסטורים יכולים לזכור את זרימת האלקטרונים העוברת דרכם - גם אם החשמל מנותק. בתרגום, זה אומר שיום אחד תוכל להדליק את המחשב באותה מהירות כמו הנורה שלך.

• טרנזיסטורים הם בינאריים, או 1 או 0. בינתיים, לממריסטורים יכולים להיות מגוון מצבים בין הקצוות הללו, כמו 0.25, 0.5, 0.747 וכו'. זה גורם לממריסטורים לפעול בדומה לסינפסות במוח שלנו, וזה עניין גדול מכיוון שהוא יכול לפתוח מגוון של מחשוב עתידי אפשרויות.

• לאחר מכן, ממריסטורים אינם זקוקים לסיליקון כדי לתפקד, מה שפותח את הנתיב לתעשיית המוליכים למחצה להתנסות בשימוש בחומרים חדשים כדי למזער עוד יותר שבבים (כפי שפורט קודם לכן).

• לבסוף, בדומה לממצאים של IBM ו-DARPA בתחום המחשוב הנוירומורפי, שבבים המבוססים על ממריסטורים מהירים יותר, צורכים פחות אנרגיה ויכולים להחזיק בצפיפות מידע גבוהה יותר מאשר שבבים הקיימים כיום בשוק.

שבבים תלת מימדיים. שבבים מסורתיים והטרנזיסטורים המפעילים אותם פועלים במישור שטוח ודו-מימדי, אך בתחילת שנות ה-2010 החלו חברות מוליכים למחצה להתנסות בהוספת מימד שלישי לשבבים שלהן. לטרנזיסטורים החדשים האלה, שנקראים 'finFET', יש תעלה שנדבקת משטח השבב, ומעניקה להם שליטה טובה יותר על המתרחש בערוצים שלהם, ומאפשרת להם לרוץ במהירות של כמעט 40 אחוז, ולפעול תוך שימוש במחצית מהאנרגיה. החיסרון, לעומת זאת, הוא שהשבבים הללו קשים (יקרים) משמעותית לייצור כרגע.

אבל מעבר לעיצוב מחדש של הטרנזיסטורים הבודדים, עתיד שבבים תלת מימדיים שואפים גם לשלב מחשוב ואחסון נתונים בשכבות מוערמות אנכית. נכון לעכשיו, מחשבים מסורתיים מאחסנים את מקלות הזיכרון שלהם בסנטימטרים מהמעבד שלו. אבל על ידי שילוב הזיכרון ורכיבי העיבוד, המרחק הזה יורד מסנטימטרים למיקרומטר, מה שמאפשר שיפור ענק במהירויות העיבוד ובצריכת האנרגיה.

מחשוב קוונטי. במבט רחוק יותר אל העתיד, נתח גדול של מחשוב ברמה הארגונית יכול לפעול תחת חוקי הפיזיקה הקוונטית המטורפים. עם זאת, בשל החשיבות של סוג זה של מחשוב, נתנו לו פרק משלו ממש בסוף הסדרה.

שבבי סופר מיקרו הם לא עסק טוב

אוקיי, אז מה שקראתם למעלה הוא הכל טוב ויפה - אנחנו מדברים על שבבים אולטרה יעילים באנרגיה שעוצבו בדגם של המוח האנושי שיכולים לפעול במהירות האור - אבל העניין הוא שתעשיית ייצור שבבי מוליכים למחצה היא לא להוט יתר על המידה להפוך את המושגים הללו למציאות בייצור המוני.

ענקיות הטכנולוגיה, כמו אינטל, סמסונג ו-AMD, כבר השקיעו מיליארדי דולרים במשך עשרות שנים כדי לייצר שבבים מסורתיים מבוססי סיליקון. מעבר לכל אחד מהמושגים החדשים שצוינו לעיל פירושו לבטל את ההשקעות הללו ולהוציא מיליארדים נוספים על בניית מפעלים חדשים לייצור המוני של דגמי מיקרושבבים חדשים שיש להם רקורד מכירות של אפס.

לא רק השקעת הזמן והכסף מעכבת את חברות המוליכים למחצה הללו. הדרישה של הצרכנים למיקרו-שבבים חזקים יותר מתמיד נמצאת גם היא בדעיכה. תחשוב על זה: במהלך שנות ה-90 ורוב שנות ה-00, זה היה כמעט מובן מאליו שתחליף את המחשב או הטלפון שלך, אם לא כל שנה, אז כל שנה אחרת. זה יאפשר לך להתעדכן בכל התוכנות והיישומים החדשים שיצאו כדי להפוך את חיי הבית והעבודה שלך לקלים וטובים יותר. בימים אלה, באיזו תדירות אתה משדרג לדגם השולחני או הנייד העדכני ביותר בשוק?

כשאתה חושב על הסמארטפון שלך, יש לך בכיס את מה שהיה נחשב למחשב-על רק לפני 20 שנה. מלבד תלונות על חיי סוללה וזיכרון, רוב הטלפונים שנרכשו מאז 2016 מסוגלים להריץ כל אפליקציה או משחק נייד, להזרים כל סרטון מוזיקה או סשן תזמון שובב עם ה-SO שלך, או כמעט כל דבר אחר שתרצה לעשות במכשיר שלך. טלפון. האם אתה באמת צריך להוציא $1,000 או יותר מדי שנה כדי לעשות את הדברים האלה טוב יותר ב-10-15 אחוז? האם בכלל תשים לב להבדל?

עבור רוב האנשים, התשובה היא לא.

העתיד של חוק מור

בעבר, רוב מימון ההשקעות בטכנולוגיה של מוליכים למחצה הגיע מהוצאות צבאיות על הביטחון. לאחר מכן הוא הוחלף על ידי יצרני מוצרי אלקטרוניקה, ועד 2020-2023, השקעות מובילות בפיתוח מיקרו-שבבים יעברו שוב, הפעם מתעשיות המתמחות בתחומים הבאים:

• תוכן מהדור הבא. ההחדרה הקרובה של מכשירי מציאות מדומה, הולוגראפית ומציאות רבודה לציבור הרחב תדרבן ביקוש גדול יותר להזרמת נתונים, במיוחד כשהטכנולוגיות הללו מבשילות וגדלות בפופולריות שלהן בסוף שנות ה-2020.

• מחשוב עננים. הסבר בחלק הבא של סדרה זו.

• רכבים אוטונומיים. הוסבר ביסודיות אצלנו עתיד התחבורה סדרה.

• האינטרנט של הדברים. מוסבר אצלנו אינטרנט של דברים פרק אצלנו עתיד האינטרנט סדרה.

• נתונים גדולים וניתוחים. ארגונים שדורשים עיבוד נתונים קבוע - חשבו על צבא, חקר חלל, חזאי מזג אוויר, תרופות, לוגיסטיקה וכו' - ימשיכו לדרוש מחשבים חזקים יותר ויותר כדי לנתח את מערכי הנתונים הנאספים שלהם, ההולכים ומתרחבים.

מימון מחקר ופיתוח עבור שבבים מהדור הבא תמיד קיים, אבל השאלה היא האם רמת המימון הדרושה לצורות מורכבות יותר של מיקרו-מעבדים יכולה לעמוד בדרישות הצמיחה של חוק מור. בהתחשב בעלות המעבר לצורות חדשות של שבבים ומסחור, יחד עם האטה בביקוש הצרכני, מחנק עתידי בתקציב הממשלתי ומיתונים כלכליים, רוב הסיכויים שחוק מור יאט או ייפסק לזמן קצר בתחילת שנות ה-2020, לפני שיוחזר בסוף שנות ה-2020, תחילת שנות ה-2030.

באשר למה שחוק מור יתפוס שוב תאוצה, ובכן, בוא נגיד ששבבים מונעי טורבו הם לא המהפכה היחידה שיורדת בצינור המחשוב. בשלב הבא בסדרת עתיד המחשבים שלנו, נחקור את המגמות המעודדות את הצמיחה של מחשוב ענן.

סדרת העתיד של המחשבים

ממשקי משתמש מתפתחים להגדרה מחדש של האנושות: עתיד המחשבים P1

עתיד פיתוח תוכנה: עתיד המחשבים P2

מהפכת האחסון הדיגיטלי: עתיד המחשבים P3

מחשוב ענן הופך למבוזר: עתיד המחשבים P5

מדוע מדינות מתחרות על בניית מחשבי העל הגדולים ביותר? עתיד המחשבים P6

כיצד מחשבי קוונטים ישנו את העולם: עתיד המחשבים P7