Kwantumrun

BEELDKREDIET: Kwantumrun

Een vervagende wet van Moore om een fundamentele heroverweging van microchips teweeg te brengen: Future of Computers P4

David Tal, uitgever, futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Tue, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Computers - ze zijn nogal een groot probleem. Maar om de opkomende trends waar we tot nu toe in onze Future of Computers-serie op hebben gesuggereerd, echt te waarderen, moeten we ook de revoluties begrijpen die door de computationele pijplijn sprinten, of gewoon: de toekomst van microchips.

Om de basis uit de weg te ruimen, moeten we de wet van Moore begrijpen, de nu beroemde wet die Dr. Gordon E. Moore in 1965 oprichtte. Wat Moore in wezen al die decennia geleden besefte, is dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling verdubbelt elke 18 tot 24 maanden. Dit is de reden waarom dezelfde computer die u vandaag voor $ 1,000 koopt, u over twee jaar $ 500 kost.

Al meer dan vijftig jaar voldoet de halfgeleiderindustrie aan de toenemende trendlijn van deze wet, waardoor de weg is vrijgemaakt voor de nieuwe besturingssystemen, videogames, streaming video, mobiele apps en elke andere digitale technologie die onze moderne cultuur heeft bepaald. Maar terwijl de vraag naar deze groei lijkt te blijven voor nog een halve eeuw, lijkt silicium - het basismateriaal waarmee alle moderne microchips zijn gebouwd - niet lang aan die vraag te voldoen na 2021 - volgens de laatste verslag van de International Technology Roadmap voor halfgeleiders (ITRS)

Het is echt natuurkunde: de halfgeleiderindustrie verkleint transistors tot op atomaire schaal, een schaal waar silicium straks niet meer geschikt voor is. En hoe meer deze industrie probeert silicium voorbij zijn optimale limieten te krimpen, hoe duurder elke microchip-evolutie zal worden.

Dit is waar we vandaag zijn. Over een paar jaar zal silicium niet langer een kosteneffectief materiaal zijn om de volgende generatie geavanceerde microchips te bouwen. Deze limiet zal een revolutie in de elektronica forceren door de halfgeleiderindustrie (en de samenleving) te dwingen te kiezen tussen een paar opties:

De eerste optie is om de kostbare ontwikkeling om silicium verder te miniaturiseren te vertragen of te beëindigen, ten gunste van het vinden van nieuwe manieren om microchips te ontwerpen die meer verwerkingskracht genereren zonder extra miniaturisatie.
Ten tweede, zoek nieuwe materialen die op veel kleinere schaal dan silicium kunnen worden gemanipuleerd om steeds grotere aantallen transistors in nog dichtere microchips te proppen.
Ten derde, in plaats van je te concentreren op miniaturisatie of verbeteringen in het stroomverbruik, richt je je opnieuw op de verwerkingssnelheid door processors te maken die gespecialiseerd zijn voor specifieke gebruikssituaties. Dit zou kunnen betekenen dat in plaats van één generalistische chip, toekomstige computers een cluster van gespecialiseerde chips kunnen hebben. Voorbeelden zijn onder meer grafische chips die worden gebruikt om videogames te verbeteren Google's introductie van de Tensor Processing Unit (TPU)-chip die gespecialiseerd is in machine learning-toepassingen.
Ontwerp ten slotte nieuwe software en cloudinfrastructuur die sneller en efficiënter kunnen werken zonder dat er compactere/kleinere microchips nodig zijn.

Welke optie zal onze technische industrie kiezen? Realistisch: allemaal.

De reddingslijn voor de wet van Moore

De volgende lijst is een korte blik op de innovaties op korte en lange termijn die concurrenten in de halfgeleiderindustrie zullen gebruiken om de wet van Moore levend te houden. Dit deel is een beetje ingewikkeld, maar we zullen proberen het leesbaar te houden.

Nanomaterialen. Toonaangevende halfgeleiderbedrijven, zoals Intel, hebben al aangekondigd dat ze druppel silicium zodra ze miniaturisatieschalen van zeven nanometer (7nm) bereiken. Kandidaten om silicium te vervangen zijn onder meer indiumantimonide (InSb), indium galliumarsenide (InGaAs) en silicium-germanium (SiGe), maar het materiaal dat de meeste opwinding krijgt, lijkt koolstofnanobuisjes te zijn. Gemaakt van grafiet - zelf een samengestelde stapel van het wondermateriaal, grafeen - kunnen koolstofnanobuisjes atomen dik worden gemaakt, zijn ze extreem geleidend en zullen ze naar schatting toekomstige microchips tot vijf keer sneller maken in 2020.

Optisch computergebruik. Een van de grootste uitdagingen bij het ontwerpen van chips is ervoor te zorgen dat elektronen niet van de ene transistor naar de andere springen - een overweging die oneindig veel moeilijker wordt zodra je het atomaire niveau betreedt. De opkomende technologie van optisch computeren lijkt elektronen te vervangen door fotonen, waarbij licht (geen elektriciteit) van transistor naar transistor wordt doorgegeven. in 2017, namen onderzoekers een gigantische stap in de richting van dit doel door aan te tonen dat ze op licht gebaseerde informatie (fotonen) als geluidsgolven op een computerchip kunnen opslaan. Met deze benadering zouden microchips tegen 2025 in de buurt van de lichtsnelheid kunnen werken.

Spintronica. Meer dan twee decennia in ontwikkeling proberen spintronische transistors de 'spin' van een elektron te gebruiken in plaats van zijn lading om informatie weer te geven. Hoewel het nog ver verwijderd is van commercialisering, zal deze vorm van transistor, indien opgelost, slechts 10-20 millivolt nodig hebben om te werken, honderden keren kleiner dan conventionele transistors; dit zou ook de oververhittingsproblemen waarmee halfgeleiderbedrijven worden geconfronteerd bij het produceren van steeds kleinere chips, wegnemen.

Neuromorphic computing en memristors. Een andere nieuwe benadering voor het oplossen van deze dreigende verwerkingscrisis ligt in het menselijk brein. Vooral onderzoekers van IBM en DARPA leiden de ontwikkeling van een nieuw soort microchip - een chip waarvan de geïntegreerde schakelingen zijn ontworpen om de meer gedecentraliseerde en niet-lineaire benadering van computergebruik door de hersenen na te bootsen. (Kijk hier eens naar ScienceBlogs artikel om de verschillen tussen het menselijk brein en computers beter te begrijpen.) Vroege resultaten geven aan dat chips die de hersenen nabootsen niet alleen aanzienlijk efficiënter zijn, maar dat ze ook werken met ongelooflijk minder wattage dan de huidige microchips.

Met dezelfde benadering van hersenmodellering kan de transistor zelf, de spreekwoordelijke bouwsteen van de microchip van uw computer, binnenkort worden vervangen door de memristor. Een memristor, die het tijdperk van de "ionica" inluidt, biedt een aantal interessante voordelen ten opzichte van de traditionele transistor:

Ten eerste kunnen memristors zich de elektronenstroom herinneren die er doorheen gaat, zelfs als de stroom uitvalt. Vertaald betekent dit dat u op een dag uw computer met dezelfde snelheid kunt inschakelen als uw gloeilamp.
Transistors zijn binair, ofwel 1s of 0s. Memristors kunnen ondertussen verschillende toestanden hebben tussen die uitersten, zoals 0.25, 0.5, 0.747, enz. Dit zorgt ervoor dat memristors werken op dezelfde manier als de synapsen in onze hersenen, en dat is een groot probleem, omdat het een reeks toekomstige computers zou kunnen openen mogelijkheden.
Vervolgens hebben memristors geen silicium nodig om te functioneren, wat het pad opent voor de halfgeleiderindustrie om te experimenteren met het gebruik van nieuwe materialen om microchips verder te miniaturiseren (zoals eerder geschetst).
Ten slotte zijn microchips op basis van memristors, vergelijkbaar met de bevindingen van IBM en DARPA op het gebied van neuromorfisch computergebruik, sneller, verbruiken ze minder energie en kunnen ze een hogere informatiedichtheid bevatten dan chips die momenteel op de markt zijn.

3D-chips. Traditionele microchips en de transistors die ze aandrijven werken op een plat, tweedimensionaal vlak, maar in de vroege jaren 2010 begonnen halfgeleiderbedrijven te experimenteren met het toevoegen van een derde dimensie aan hun chips. Deze nieuwe transistors, 'finFET' genoemd, hebben een kanaal dat uit het oppervlak van de chip steekt, waardoor ze betere controle hebben over wat er in hun kanalen gebeurt, waardoor ze bijna 40 procent sneller kunnen werken en de helft van de energie gebruiken. De keerzijde is echter dat deze chips op dit moment beduidend moeilijker (kostbaarder) te produceren zijn.

Maar afgezien van het herontwerpen van de individuele transistors, toekomst 3D-chips streven er ook naar om computergebruik en gegevensopslag te combineren in verticaal gestapelde lagen. Op dit moment huisvesten traditionele computers hun geheugensticks centimeters van de processor. Maar door de geheugen- en verwerkingscomponenten te integreren, daalt deze afstand van centimeters naar micrometers, wat een enorme verbetering in verwerkingssnelheden en energieverbruik mogelijk maakt.

Quantum computing. Als we verder in de toekomst kijken, zou een groot deel van de computer op bedrijfsniveau kunnen werken onder de gekke wetten van de kwantumfysica. Vanwege het belang van dit soort computergebruik hebben we het echter helemaal aan het einde van deze serie een eigen hoofdstuk gegeven.

Supermicrochips zijn geen goede zaken

Oké, dus wat je hierboven leest is allemaal goed en wel - we hebben het over ultra-energie-efficiënte microchips die zijn gemodelleerd naar het menselijk brein en die met de snelheid van het licht kunnen werken - maar het punt is dat de industrie voor het maken van halfgeleiderchips dat niet is. overdreven enthousiast om deze concepten om te zetten in een in massa geproduceerde realiteit.

Techreuzen, zoals Intel, Samsung en AMD, hebben de afgelopen decennia al miljarden dollars geïnvesteerd om traditionele, op silicium gebaseerde microchips te produceren. Overschakelen naar een van de nieuwe concepten die hierboven zijn vermeld, zou betekenen dat we die investeringen schrappen en miljarden meer uitgeven aan het bouwen van nieuwe fabrieken om nieuwe microchipmodellen in massa te produceren met een verkooprecord van nul.

Het is niet alleen de tijd- en geldinvestering die deze halfgeleiderbedrijven tegenhoudt. Ook de vraag van de consument naar steeds krachtigere microchips neemt af. Denk er eens over na: in de jaren '90 en het grootste deel van de jaren '00 was het bijna een gegeven dat je je computer of telefoon zou inruilen, zo niet elk jaar, dan om het jaar. Hiermee kunt u alle nieuwe software en toepassingen bijhouden die op de markt komen om uw leven thuis en op het werk gemakkelijker en beter te maken. Hoe vaak upgrade je tegenwoordig naar het nieuwste desktop- of laptopmodel op de markt?

Als je aan je smartphone denkt, heb je in je zak wat 20 jaar geleden als een supercomputer zou zijn beschouwd. Afgezien van klachten over de levensduur van de batterij en het geheugen, zijn de meeste telefoons die sinds 2016 zijn gekocht perfect in staat om elke app of mobiele game te draaien, om elke muziekvideo of ondeugende facetiming-sessie met je SO te streamen, of bijna alles wat je zou willen doen op je telefoon. Moet je echt elk jaar $ 1,000 of meer uitgeven om deze dingen 10-15 procent beter te doen? Zou je het verschil ook merken?

Voor de meeste mensen is het antwoord nee.

De toekomst van de wet van Moore

In het verleden kwam de meeste investeringsfinanciering in halfgeleidertechnologie uit militaire defensie-uitgaven. Het werd toen vervangen door fabrikanten van consumentenelektronica en tegen 2020-2023 zullen toonaangevende investeringen in verdere ontwikkeling van microchips weer verschuiven, dit keer van industrieën die gespecialiseerd zijn in het volgende:

Inhoud van de volgende generatie. De komende introductie van holografische, virtuele en augmented reality-apparaten bij het grote publiek zal een grotere vraag naar datastreaming stimuleren, vooral naarmate deze technologieën aan het eind van de jaren twintig volwassen worden en in populariteit toenemen.
Cloud computing. Uitgelegd in het volgende deel van deze serie.
Autonome voertuigen. Uitgebreid uitgelegd in onze Toekomst van transport series.
Internet van dingen. Uitgelegd in onze internet van dingen hoofdstuk in onze Toekomst van internet series.
Big data en analyse. Organisaties die regelmatig gegevens moeten verwerken - denk aan het leger, ruimteverkenning, weersvoorspellers, farmaceutica, logistiek, enz. - zullen steeds krachtigere computers blijven vragen om hun steeds groter wordende verzamelingen verzamelde gegevens te analyseren.

Financiering voor R&D in microchips van de volgende generatie zal altijd bestaan, maar de vraag is of het financieringsniveau dat nodig is voor complexere vormen van microprocessors kan voldoen aan de groei-eisen van de Wet van Moore. Gezien de kosten van het overschakelen naar en het op de markt brengen van nieuwe vormen van microchips, in combinatie met een afnemende vraag van de consument, toekomstige krapte op de overheidsbegrotingen en economische recessies, is de kans groot dat de wet van Moore in het begin van de jaren 2020 zal vertragen of kort zal stoppen, voordat hij tegen het einde van de twintigste eeuw weer optrekt. jaren 2020, begin 2030.

Wat betreft de reden waarom de wet van Moore weer sneller zal worden, laten we zeggen dat turbo-aangedreven microchips niet de enige revolutie zijn die door de computerpijplijn komt. De volgende stap in onze Future of Computers-serie onderzoeken we de trends die de groei van cloud computing stimuleren.