Quantumrun

KREDYT WZROKU: Quantumrun

Zanikające prawo Moore'a, które zapoczątkowało fundamentalne przemyślenie mikrochipów: Przyszłość komputerów P4

David Tal, wydawca, futurysta
@DavidTal pisze
LinkedIn

Wt, 09 / 15 / 2020 - 15: 39

Komputery — to poważna sprawa. Ale aby naprawdę docenić pojawiające się trendy, o których do tej pory wspomnieliśmy w naszej serii Future of Computers, musimy również zrozumieć rewolucje pędzące w dół potoku obliczeniowego lub po prostu: przyszłość mikrochipów.

Aby pozbyć się podstaw, musimy zrozumieć Prawo Moore'a, słynne obecnie prawo, które dr Gordon E. Moore ustanowił w 1965 roku. Zasadniczo to, z czego Moore zdał sobie sprawę wszystkie dekady temu, jest to, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się. co 18 do 24 miesięcy. Dlatego ten sam komputer, który kupisz dzisiaj za 1,000 dolarów, będzie kosztował za dwa lata 500 dolarów.

Od ponad pięćdziesięciu lat branża półprzewodników dotrzymuje kroku temu prawu, torując drogę nowym systemom operacyjnym, grom wideo, strumieniowej transmisji wideo, aplikacjom mobilnym i wszystkim innym technologiom cyfrowym, które zdefiniowały naszą współczesną kulturę. Ale podczas gdy wydaje się, że popyt na ten wzrost pozostanie stały przez kolejne pół wieku, krzem — materiał, z którego zbudowane są wszystkie współczesne mikrochipy — nie wydaje się, aby zaspokoił to zapotrzebowanie na znacznie dłuższy rok 2021 — zgodnie z ostatni raport z Międzynarodowa mapa drogowa technologii dla półprzewodników (ITRS)

Tak naprawdę to fizyka: przemysł półprzewodników kurczy tranzystory do skali atomowej, do której krzem wkrótce się nie nada. A im bardziej ta branża próbuje zmniejszyć krzem poza jego optymalne granice, tym droższa będzie każda ewolucja mikrochipów.

Tutaj jesteśmy dzisiaj. Za kilka lat krzem nie będzie już opłacalnym materiałem do budowy nowej generacji najnowocześniejszych mikrochipów. Limit ten wymusi rewolucję w elektronice, zmuszając przemysł półprzewodników (i społeczeństwo) do wyboru między kilkoma opcjami:

Pierwszą opcją jest spowolnienie lub zakończenie kosztownych prac nad dalszą miniaturyzacją krzemu, na rzecz znalezienia nowych sposobów projektowania mikroukładów, które generują większą moc obliczeniową bez dodatkowej miniaturyzacji.
Po drugie, znajdź nowe materiały, którymi można manipulować na znacznie mniejszą skalę niż krzem, aby upchnąć coraz większą liczbę tranzystorów w jeszcze gęstszych mikroukładach.
Po trzecie, zamiast skupiać się na miniaturyzacji lub poprawie zużycia energii, skoncentruj się ponownie na szybkości przetwarzania poprzez tworzenie procesorów wyspecjalizowanych do konkretnych przypadków użycia. Może to oznaczać, że zamiast jednego ogólnego chipa komputery przyszłości mogą mieć klaster chipów specjalistycznych. Przykłady obejmują chipy graficzne używane do ulepszania gier wideo, aby Wprowadzenie Google chipu Tensor Processing Unit (TPU), który specjalizuje się w zastosowaniach uczenia maszynowego.
Na koniec zaprojektuj nowe oprogramowanie i infrastrukturę chmury, które mogą działać szybciej i wydajniej bez konieczności stosowania gęstszych/mniejszych mikroukładów.

Którą opcję wybierze nasza branża technologiczna? Realistycznie: wszystkie.

Koło ratunkowe dla prawa Moore'a

Poniższa lista jest krótkim spojrzeniem na innowacje krótko- i długoterminowe, które konkurenci w branży półprzewodników wykorzystają, aby utrzymać przy życiu prawo Moore'a. Ta część jest trochę gęsta, ale postaramy się, aby była czytelna.

Nanomateriały. Wiodące firmy półprzewodnikowe, takie jak Intel, już zapowiedziały, że będą upuść krzem gdy osiągną skalę miniaturyzacji siedmiu nanometrów (7 nm). Kandydaci do zastąpienia krzemu to antymonek indu (InSb), arsenek indu galu (InGaAs) i krzem-german (SiGe), ale najbardziej podekscytowanym materiałem wydają się być nanorurki węglowe. Wykonane z grafitu – samego kompozytowego stosu cudownego materiału, grafenu – nanorurki węglowe mogą mieć grubość atomów, są niezwykle przewodzące i szacuje się, że przyszłe mikroczipy będą do roku 2020 nawet pięciokrotnie szybsze.

Obliczenia optyczne. Jednym z największych wyzwań związanych z projektowaniem układów scalonych jest zapewnienie, że elektrony nie przeskakują z jednego tranzystora na drugi – kwestia, która staje się nieskończenie trudniejsza, gdy wejdziesz na poziom atomowy. Powstająca technologia obliczeń optycznych ma na celu zastąpienie elektronów fotonami, dzięki czemu światło (nie elektryczność) jest przekazywane z tranzystora do tranzystora. W 2017, naukowcy zrobili ogromny krok w kierunku tego celu, demonstrując zdolność do przechowywania informacji świetlnych (fotonów) jako fal dźwiękowych na chipie komputerowym. Dzięki takiemu podejściu do 2025 r. mikroczipy mogą działać z prędkością bliską prędkości światła.

Spintronika. Przez ponad dwie dekady opracowywane tranzystory spintroniczne próbowały wykorzystać „spin” elektronu zamiast jego ładunku do reprezentowania informacji. Chociaż nadal daleko od komercjalizacji, jeśli zostanie rozwiązany, ta forma tranzystora będzie wymagała do działania tylko 10-20 miliwoltów, setki razy mniej niż konwencjonalne tranzystory; wyeliminowałoby to również problemy związane z przegrzewaniem, z jakimi borykają się firmy produkujące półprzewodniki, produkując coraz mniejsze chipy.

Obliczenia neuromorficzne i memrystory. Inne nowatorskie podejście do rozwiązania tego zbliżającego się kryzysu przetwarzania dotyczy ludzkiego mózgu. W szczególności naukowcy z IBM i DARPA prowadzą rozwój nowego rodzaju mikroczipa — chipa, którego układy scalone są zaprojektowane tak, aby naśladować bardziej zdecentralizowane i nieliniowe podejście mózgu do komputerów. (Sprawdź to Artykuł na ScienceBlogs aby lepiej zrozumieć różnice między ludzkim mózgiem a komputerami). Wczesne wyniki wskazują, że chipy naśladujące mózg są nie tylko znacznie wydajniejsze, ale działają przy niewiarygodnie mniejszej mocy niż obecne mikrochipy.

Korzystając z tego samego podejścia do modelowania mózgu, sam tranzystor, przysłowiowy element składowy mikroczipa komputera, może wkrótce zostać zastąpiony przez memrystor. Wprowadzając w erę „jonów”, memrystor oferuje szereg interesujących zalet w porównaniu z tradycyjnym tranzystorem:

Po pierwsze, memrystory mogą zapamiętać przepływ elektronów przez nie – nawet po odcięciu zasilania. W tłumaczeniu oznacza to, że pewnego dnia możesz włączyć komputer z taką samą prędkością, jak żarówka.
Tranzystory są binarne, z jedynkami lub zerami. W międzyczasie memrystory mogą mieć różne stany pomiędzy tymi skrajnościami, na przykład 1, 0, 0.25 itd. To sprawia, że memrystory działają podobnie do synaps w naszych mózgach, a to wielka sprawa, ponieważ może otworzyć szereg przyszłych komputerów możliwości.
Następnie memrystory nie potrzebują krzemu do działania, co otwiera drogę dla przemysłu półprzewodnikowego do eksperymentowania z wykorzystaniem nowych materiałów do dalszej miniaturyzacji mikroukładów (jak opisano wcześniej).
Wreszcie, podobnie do odkryć dokonanych przez IBM i DARPA w dziedzinie obliczeń neuromorficznych, mikrochipy oparte na memrystorach są szybsze, zużywają mniej energii i mogą przechowywać większą gęstość informacji niż chipy dostępne obecnie na rynku.

Chipy 3D. Tradycyjne mikrochipy i tranzystory, które je zasilają, działają na płaskiej, dwuwymiarowej płaszczyźnie, ale na początku 2010 roku firmy półprzewodnikowe zaczęły eksperymentować z dodaniem trzeciego wymiaru do swoich chipów. Te nowe tranzystory, nazwane „finFET”, mają kanał wystający z powierzchni chipa, co daje im lepszą kontrolę nad tym, co dzieje się w ich kanałach, dzięki czemu działają prawie o 40 procent szybciej i zużywają o połowę mniej energii. Minusem jest jednak to, że te chipy są obecnie znacznie trudniejsze (droższe) w produkcji.

Ale poza przeprojektowaniem poszczególnych tranzystorów, przyszłość Chipy 3D dążą również do połączenia przetwarzania i przechowywania danych w warstwach ułożonych pionowo. Obecnie tradycyjne komputery przechowują swoje karty pamięci centymetry od procesora. Jednak dzięki integracji pamięci i komponentów przetwarzających odległość ta zmniejsza się z centymetrów do mikrometrów, umożliwiając olbrzymią poprawę szybkości przetwarzania i zużycia energii.

Obliczenia kwantowe. Patrząc dalej w przyszłość, duża część systemów obliczeniowych na poziomie korporacyjnym może działać zgodnie z dziwacznymi prawami fizyki kwantowej. Jednak ze względu na wagę tego rodzaju obliczeń, na samym końcu tej serii nadaliśmy mu osobny rozdział.

Supermikrochipy nie są dobrym biznesem

Ok, więc to, co przeczytałeś powyżej, jest całkiem dobre — mówimy o ultra energooszczędnych mikroczipach wzorowanych na ludzkim mózgu, który może działać z prędkością światła — ale chodzi o to, że przemysł produkujący chipy półprzewodnikowe nie jest nadmiernie chętny do przekształcenia tych koncepcji w masowo produkowaną rzeczywistość.

Giganci technologiczni, tacy jak Intel, Samsung i AMD, przez dziesięciolecia zainwestowali już miliardy dolarów w produkcję tradycyjnych mikrochipów na bazie krzemu. Przejście na którąkolwiek z nowatorskich koncepcji wymienionych powyżej oznaczałoby zlikwidowanie tych inwestycji i wydanie miliardów więcej na budowę nowych fabryk w celu masowej produkcji nowych modeli mikrochipów, które mają zerową historię sprzedaży.

Te firmy produkujące półprzewodniki powstrzymują nie tylko czas i pieniądze. Zanika również zapotrzebowanie konsumentów na coraz mocniejsze mikroczipy. Pomyśl o tym: w latach 90. i większości 00. było prawie oczywiste, że wymieniasz komputer lub telefon, jeśli nie co roku, to co drugi rok. To pozwoliłoby Ci nadążyć za wszystkimi nowymi programami i aplikacjami, które miały sprawić, że Twoje życie w domu i pracy będzie łatwiejsze i lepsze. Jak często w dzisiejszych czasach dokonujesz aktualizacji do najnowszego modelu komputera stacjonarnego lub laptopa dostępnego na rynku?

Kiedy myślisz o swoim smartfonie, masz w kieszeni coś, co jeszcze 20 lat temu zostałoby uznane za superkomputer. Oprócz skarg na żywotność baterii i pamięć, większość telefonów zakupionych od 2016 roku doskonale nadaje się do uruchamiania dowolnej aplikacji lub gry mobilnej, przesyłania strumieniowego dowolnego teledysku lub niegrzecznej sesji facetimingu za pomocą SO lub prawie wszystkiego, co chcesz zrobić na swoim telefon. Czy naprawdę musisz co roku wydawać 1,000 USD lub więcej, aby robić te rzeczy o 10-15 procent lepiej? Czy zauważyłbyś różnicę?

Dla większości ludzi odpowiedź brzmi nie.

Przyszłość prawa Moore'a

W przeszłości większość środków na inwestycje w technologię półprzewodnikową pochodziła z wydatków na obronę wojskową. Został on następnie zastąpiony przez producentów elektroniki użytkowej, a w latach 2020-2023 wiodące inwestycje w dalszy rozwój mikrochipów ponownie przesuną się, tym razem z branż specjalizujących się w:

Treści nowej generacji. Zbliżające się wprowadzenie holograficznych, wirtualnych i rozszerzonej rzeczywistości urządzeń dla ogółu społeczeństwa pobudzi większe zapotrzebowanie na strumieniowe przesyłanie danych, zwłaszcza że technologie te dojrzeją i będą zyskiwać na popularności pod koniec lat dwudziestych.
Chmura obliczeniowa. Wyjaśnione w kolejnej części tej serii.
Pojazdy autonomiczne. Wyjaśnione dokładnie w naszym Przyszłość transportu series.
Internet przedmiotów. Wyjaśnione w naszym Internet przedmiotów rozdział w naszym Przyszłość Internetu series.
Big data i analityka. Organizacje, które wymagają regularnego przetwarzania danych — na przykład wojsko, eksploracja kosmosu, prognozy pogody, farmaceutyki, logistyka itp. — będą nadal domagać się coraz mocniejszych komputerów do analizowania stale powiększających się zestawów gromadzonych danych.

Finansowanie na badania i rozwój w mikrochipach nowej generacji zawsze będzie istniało, ale pytanie brzmi, czy poziom finansowania potrzebny do bardziej złożonych form mikroprocesorów może nadążyć za rosnącymi wymaganiami prawa Moore'a. Biorąc pod uwagę koszty przejścia na i komercjalizacji nowych form mikroprocesorów, w połączeniu ze spadającym popytem konsumenckim, przyszłymi zapaściami budżetowymi i recesją gospodarczą, istnieje prawdopodobieństwo, że prawo Moore'a zwolni lub na krótko zatrzyma się na początku lat 2020. Lata 2020., początek lat 2030. XX wieku.

Co do tego, dlaczego prawo Moore'a znów przyspieszy, cóż, powiedzmy po prostu, że mikroukłady z turbodoładowaniem nie są jedyną rewolucją, która przechodzi w potoku obliczeniowym. W dalszej części naszej serii Future of Computers przyjrzymy się trendom napędzającym rozwój przetwarzania w chmurze.