Pazūdošais Mūra likums, kas rosina fundamentāli pārdomāt mikroshēmas: datoru nākotne P4

Datori — tie ir ļoti svarīgi. Taču, lai patiesi novērtētu jaunās tendences, par kurām līdz šim esam minējuši mūsu Future of Computers sērijā, mums ir arī jāsaprot apvērsumi, kas virzās pa skaitļošanas cauruļvadu vai vienkārši: mikroshēmu nākotne.

Lai izkļūtu no pamatiem, mums ir jāsaprot Mūra likums, tagad slavenais doktora Gordona E. Mūra likums, ko nodibināja 1965. gadā. Būtībā tas, ko Mūrs saprata pirms visām desmitgadēm, ir tas, ka tranzistoru skaits integrālajā shēmā dubultojas. ik pēc 18 līdz 24 mēnešiem. Tāpēc tas pats dators, kuru iegādājāties šodien par 1,000 ASV dolāriem, pēc diviem gadiem maksās 500 $.

Vairāk nekā piecdesmit gadus pusvadītāju nozare ir izturējusies pret šī likuma sarežģītajām tendencēm, paverot ceļu jaunajām operētājsistēmām, videospēlēm, video straumēšanai, mobilajām lietotnēm un visām citām digitālajām tehnoloģijām, kas ir definējušas mūsu mūsdienu kultūru. Taču, lai gan šķiet, ka pieprasījums pēc šīs izaugsmes saglabāsies nemainīgs vēl pusgadsimtu, silīcijs — pamatiežu materiāls, no kura tiek būvētas visas mūsdienu mikroshēmas —, saskaņā ar pēdējais ziņojums no Starptautiskais pusvadītāju tehnoloģiju ceļvedis (ITRS)

Tā patiešām ir fizika: pusvadītāju rūpniecība samazina tranzistorus līdz atomu mērogam, un silīcijs drīz būs nederīgs. Un jo vairāk šī nozare mēģinās samazināt silīciju, pārsniedzot tās optimālās robežas, jo dārgāka kļūs katra mikroshēmas attīstība.

Šeit mēs atrodamies šodien. Pēc dažiem gadiem silīcijs vairs nebūs rentabls materiāls, lai izveidotu nākamās paaudzes visprogresīvākās mikroshēmas. Šis ierobežojums piespiedīs revolūciju elektronikā, liekot pusvadītāju nozarei (un sabiedrībai) izvēlēties starp dažām iespējām:

• Pirmā iespēja ir palēnināt vai izbeigt dārgo izstrādi, lai vēl vairāk miniaturizētu silīciju, lai atrastu jaunus veidus, kā izstrādāt mikroshēmas, kas rada lielāku apstrādes jaudu bez papildu miniaturizācijas.

• Otrkārt, atrodiet jaunus materiālus, ar kuriem var manipulēt daudz mazākā apjomā nekā silīcijs, lai iebāztu arvien lielāku tranzistoru skaitu vēl blīvākās mikroshēmās.

• Treškārt, tā vietā, lai koncentrētos uz miniaturizāciju vai enerģijas patēriņa uzlabojumiem, koncentrējieties uz apstrādes ātrumu, izveidojot procesorus, kas ir specializēti konkrētiem lietošanas gadījumiem. Tas varētu nozīmēt, ka tā vietā, lai būtu viena vispārēja mikroshēma, nākotnes datoros var būt specializētu mikroshēmu kopa. Piemēri ietver grafikas mikroshēmas, ko izmanto, lai uzlabotu videospēles Google ievads Tensor Processing Unit (TPU) mikroshēma, kas specializējas mašīnmācīšanās lietojumprogrammās.

• Visbeidzot, izstrādājiet jaunu programmatūru un mākoņa infrastruktūru, kas var darboties ātrāk un efektīvāk, neizmantojot blīvākas/mazākas mikroshēmas.

Kuru iespēju izvēlēsies mūsu tehnoloģiju nozare? Reāli: tie visi.

Mūra likuma glābšanas riņķis

Šis saraksts ir īss ieskats tuvākā un ilgtermiņa inovācijās, ko konkurenti pusvadītāju nozarē izmantos, lai saglabātu Mūra likumu. Šī daļa ir nedaudz blīva, taču mēs centīsimies to saglabāt lasāmu.

nanomateriāli. Vadošie pusvadītāju uzņēmumi, piemēram, Intel, jau ir paziņojuši, ka to darīs piliens silīcija kad tie sasniedz septiņu nanometru (7 nm) miniaturizācijas mērogu. Kandidāti silīcija aizstāšanai ir indija antimonīds (InSb), indija gallija arsenīds (InGaAs) un silīcija-germānija (SiGe), taču šķiet, ka materiāls, kas izraisa vislielāko satraukumu, ir oglekļa nanocaurules. Oglekļa nanocaurules, kas izgatavotas no grafīta — tā ir brīnummateriāla, grafēna, kompozīta kaudze, tās var padarīt atomu biezas, tās ir ārkārtīgi vadošas, un tiek lēsts, ka līdz 2020. gadam tās padarīs mikroshēmas līdz pat piecas reizes ātrākas.

Optiskā skaitļošana. Viens no lielākajiem izaicinājumiem mikroshēmu projektēšanā ir nodrošināt, lai elektroni nepārietu no viena tranzistora uz otru — šis apsvērums kļūst bezgalīgi grūtāks, tiklīdz jūs nonākat atomu līmenī. Jaunā optiskās skaitļošanas tehnoloģija paredz elektronu aizstāšanu ar fotoniem, tādējādi gaisma (nevis elektrība) tiek nodota no tranzistora uz tranzistoru. Jo 2017, pētnieki spēra milzu soli pretī šim mērķim, demonstrējot spēju saglabāt uz gaismu balstītu informāciju (fotonus) kā skaņas viļņus datora mikroshēmā. Izmantojot šo pieeju, mikroshēmas varētu darboties tuvu gaismas ātrumam līdz 2025. gadam.

Spintronika. Vairāk nekā divu gadu desmitu izstrādes laikā spintroniskie tranzistori informācijas attēlošanai mēģina izmantot elektrona "griešanos", nevis tā lādiņu. Lai gan šī tranzistoru forma vēl ir tālu no komercializācijas, tās darbībai būs nepieciešami tikai 10–20 milivolti, kas ir simtiem reižu mazāki nekā parastajiem tranzistoriem; tas arī novērstu pārkaršanas problēmas, ar kurām saskaras pusvadītāju uzņēmumi, ražojot arvien mazākas mikroshēmas.

Neiromorfā skaitļošana un memristori. Vēl viena jauna pieeja šīs draudošās apstrādes krīzes risināšanai ir cilvēka smadzenēs. Pētnieki IBM un DARPA jo īpaši vada jauna veida mikroshēmas izstrādi - mikroshēmu, kuras integrētās shēmas ir paredzētas, lai atdarinātu smadzeņu decentralizētāko un nelineāro pieeju skaitļošanai. (Apskatiet šo ScienceBlogs raksts lai labāk izprastu atšķirības starp cilvēka smadzenēm un datoriem.) Sākotnējie rezultāti liecina, ka mikroshēmas, kas imitē smadzenes, ir ne tikai ievērojami efektīvākas, bet arī darbojas, izmantojot neiedomājami mazāku jaudu nekā pašreizējās mikroshēmas.

Izmantojot šo pašu smadzeņu modelēšanas pieeju, pats tranzistors, kas ir jūsu datora mikroshēmas elements, drīzumā var tikt aizstāts ar memristoru. Iesākot "jonikas" laikmetu, memristors piedāvā vairākas interesantas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālo tranzistoru:

• Pirmkārt, memristori var atcerēties elektronu plūsmu, kas iet caur tiem, pat ja tiek pārtraukta strāvas padeve. Tulkojumā tas nozīmē, ka kādu dienu jūs varētu ieslēgt datoru ar tādu pašu ātrumu kā spuldzi.

• Tranzistori ir bināri, 1s vai 0s. Tikmēr memristoriem var būt dažādi stāvokļi starp šīm galējībām, piemēram, 0.25, 0.5, 0.747 utt. Tas liek memristoriem darboties līdzīgi sinapsēm mūsu smadzenēs, un tas ir ļoti svarīgi, jo tas varētu pavērt dažādas nākotnes skaitļošanas iespējas. iespējas.

• Tālāk, memristoriem nav nepieciešams silīcijs, lai tas darbotos, paverot ceļu pusvadītāju nozarei eksperimentēt ar jaunu materiālu izmantošanu, lai vēl vairāk miniaturizētu mikroshēmas (kā aprakstīts iepriekš).

• Visbeidzot, līdzīgi kā IBM un DARPA atklājumi neiromorfās skaitļošanas jomā, mikroshēmas, kuru pamatā ir memristors, ir ātrākas, patērē mazāk enerģijas un var saturēt lielāku informācijas blīvumu nekā pašlaik tirgū esošās mikroshēmas.

3D mikroshēmas. Tradicionālās mikroshēmas un tranzistori, kas tos darbina, darbojas plakanā, divdimensiju plaknē, bet 2010. gadu sākumā pusvadītāju uzņēmumi sāka eksperimentēt, pievienojot savām mikroshēmām trešo dimensiju. Šiem jaunajiem tranzistoriem, ko sauc par “finFET”, ir kanāls, kas izvirzās no mikroshēmas virsmas, nodrošinot tiem labāku kontroli pār to, kas notiek kanālos, ļaujot tiem darboties gandrīz par 40 procentiem ātrāk un patērējot pusi mazāk enerģijas. Taču mīnuss ir tāds, ka šobrīd šīs mikroshēmas ir ievērojami grūtāk (dārgākas) ražot.

Bet ne tikai atsevišķu tranzistoru pārprojektēšana, bet arī nākotne 3D mikroshēmas mērķis ir arī apvienot skaitļošanu un datu glabāšanu vertikāli kārtotos slāņos. Pašlaik tradicionālajos datoros atmiņas kartes atrodas centimetru attālumā no procesora. Taču, integrējot atmiņu un apstrādes komponentus, šis attālums samazinās no centimetriem līdz mikrometriem, ļaujot milzīgi uzlabot apstrādes ātrumu un enerģijas patēriņu.

Kvantu skaitļošana. Raugoties tālākā nākotnē, liela daļa uzņēmuma līmeņa skaitļošanas varētu darboties saskaņā ar dīvainajiem kvantu fizikas likumiem. Tomēr, ņemot vērā šāda veida skaitļošanas nozīmi, mēs tam piešķīrām savu nodaļu šīs sērijas pašās beigās.

Super mikroshēmas nav labs bizness

Labi, tas, ko jūs lasījāt iepriekš, ir labi un labi — mēs runājam par īpaši energoefektīvām mikroshēmām, kas veidotas pēc cilvēka smadzenēm, kas var darboties gaismas ātrumā, bet lieta ir tāda, ka pusvadītāju mikroshēmu ražošanas nozare nav tāda. pārāk vēlas pārvērst šos jēdzienus masveidā ražotā realitātē.

Tehnoloģiju giganti, piemēram, Intel, Samsung un AMD, jau gadu desmitiem ir ieguldījuši miljardus dolāru, lai ražotu tradicionālas uz silīcija bāzes izgatavotas mikroshēmas. Pāreja uz kādu no iepriekš minētajiem jaunajiem jēdzieniem nozīmētu šo ieguldījumu atcelšanu un miljardiem vairāk tērēšanu jaunu rūpnīcu celtniecībai, lai masveidā ražotu jaunus mikroshēmu modeļus, kuru pārdošanas rādītāji ir nulle.

Šos pusvadītāju uzņēmumus kavē ne tikai laika un naudas ieguldījumi. Arī patērētāju pieprasījums pēc arvien jaudīgākām mikroshēmām samazinās. Padomājiet par to: 90. gados un lielākajā daļā 00. gadu bija gandrīz pašsaprotami, ka jūs mainījāt datoru vai tālruni, ja ne katru gadu, tad katru otro gadu. Tas ļaus jums sekot līdzi visai jaunajai programmatūrai un lietojumprogrammām, kas tika izlaistas, lai padarītu jūsu mājas un darba dzīvi vieglāku un labāku. Cik bieži jūs mūsdienās veicat jaunināšanu uz jaunāko galddatoru vai klēpjdatora modeli tirgū?

Kad jūs domājat par savu viedtālruni, jums kabatā ir tas, kas tika uzskatīts par superdatoru tikai pirms 20 gadiem. Papildus sūdzībām par akumulatora darbības laiku un atmiņu, lielākā daļa tālruņu, kas iegādāti kopš 2016. gada, ir lieliski spējīgi darbināt jebkuru lietotni vai mobilo spēli, straumēt jebkuru mūzikas videoklipu vai nerātnu facetiming sesiju ar savu SO vai lielāko daļu citu, ko vēlaties darīt savā ierīcē. tālrunis. Vai tiešām katru gadu ir jāiztērē 1,000 USD vai vairāk, lai šīs lietas paveiktu par 10–15 procentiem labāk? Vai jūs pat pamanītu atšķirību?

Lielākajai daļai cilvēku atbilde ir nē.

Mūra likuma nākotne

Agrāk lielākā daļa investīciju finansējuma pusvadītāju tehnoloģijā tika iegūta no militārās aizsardzības izdevumiem. Pēc tam to aizstāja plaša patēriņa elektronikas ražotāji, un līdz 2020.–2023. gadam vadošās investīcijas turpmākā mikroshēmu izstrādē atkal tiks novirzītas, šoreiz no nozarēm, kas specializējas šādās jomās:

• Nākamās paaudzes saturs. Gaidāmā hologrāfisko, virtuālo un paplašinātās realitātes ierīču ieviešana plašai sabiedrībai veicinās lielāku pieprasījumu pēc datu straumēšanas, jo īpaši tādēļ, ka šīs tehnoloģijas 2020. gadu beigās pieaugs un kļūst arvien populārākas.

• mākonis skaitļošanas. Paskaidrots šīs sērijas nākamajā daļā.

• Autonomi transportlīdzekļi. Rūpīgi izskaidrots mūsu Transporta nākotne sērija.

• Lietu internets. Paskaidrots mūsu Lietisko internetu nodaļā mūsu Interneta nākotne sērija.

• Lielie dati un analītika. Organizācijas, kurām nepieciešama regulāra datu apkopošana, piemēram, militārpersonas, kosmosa izpēte, laika prognozētāji, farmācija, loģistika utt., turpinās pieprasīt arvien jaudīgākus datorus, lai analizētu to arvien pieaugošos savākto datu kopumus.

Finansējums pētniecībai un attīstībai nākamās paaudzes mikroshēmās vienmēr pastāvēs, taču jautājums ir par to, vai sarežģītākām mikroprocesoru formām nepieciešamais finansējuma līmenis var atbilst Mūra likuma izaugsmes prasībām. Ņemot vērā izmaksas, kas saistītas ar pāreju uz jauniem mikroshēmu veidiem un to komercializāciju, kā arī patērētāju pieprasījuma palēnināšanos, turpmāko valdības budžeta krīzi un ekonomikas lejupslīdi, pastāv iespēja, ka Mūra likuma darbība 2020. gadu sākumā palēnināsies vai uz īsu brīdi apstāsies, bet pēc tam atkal pieaugs. 2020. gadi, 2030. gadu sākums.

Runājot par to, kāpēc Mūra likums atkal uzņems ātrumu, teiksim, ka ar turbomotoru darbināmas mikroshēmas nav vienīgā revolūcija, kas notiek skaitļošanas cauruļvadā. Nākamajā sērijā Future of Computers mēs izpētīsim tendences, kas veicina mākoņdatošanas izaugsmi.

Datoru sērijas nākotne

Jaunās lietotāja saskarnes, lai no jauna definētu cilvēci: datoru nākotne P1

Programmatūras izstrādes nākotne: Datoru nākotne P2

Digitālās atmiņas revolūcija: datoru nākotne P3

Mākoņdatošana kļūst decentralizēta: datoru nākotne P5

Kāpēc valstis sacenšas, lai izveidotu lielākos superdatorus? Datoru nākotne P6

Kā kvantu datori mainīs pasauli: datoru nākotne P7