Një ligj i Moore-it në zbehje për të nxitur një rimendim themelor të mikroçipëve: E ardhmja e kompjuterëve P4

Kompjuterët—ato janë një gjë e madhe. Por për të vlerësuar me të vërtetë tendencat në zhvillim që kemi lënë të kuptohet deri më tani në serinë tonë të Ardhmërisë së Kompjuterëve, duhet të kuptojmë gjithashtu revolucionet që vijnë me shpejtësi në linjën kompjuterike, ose thjesht: të ardhmen e mikroçipëve.

Për të hequr qafe bazat, duhet të kuptojmë Ligjin e Moore-it, ligjin tashmë të famshëm të Dr. Gordon E. Moore, i themeluar në vitin 1965. Në thelb, ajo që Moore kuptoi gjithë ato dekada më parë është se numri i transistorëve në një qark të integruar dyfishohet çdo 18 deri në 24 muaj. Kjo është arsyeja pse i njëjti kompjuter që blini sot për 1,000 dollarë do t'ju kushtojë 500 dollarë dy vjet nga tani.

Për më shumë se pesëdhjetë vjet, industria e gjysmëpërçuesve ka përmbushur linjën e tendencës komplekse të këtij ligji, duke i hapur rrugën sistemeve të reja operative, videolojërave, transmetimit të videos, aplikacioneve celulare dhe çdo teknologjie tjetër dixhitale që ka përcaktuar kulturën tonë moderne. Por ndërsa kërkesa për këtë rritje duket se do të mbetet e qëndrueshme edhe për gjysmë shekulli tjetër, silikoni - materiali themelor me të cilin janë ndërtuar të gjithë mikroçipet moderne - nuk duket se do të përmbushë këtë kërkesë për një kohë më të gjatë të kaluar në vitin 2021 - sipas raporti i fundit nga Udhërrëfyesi i teknologjisë ndërkombëtare për gjysmëpërçuesit (ITRS)

Është fizikë me të vërtetë: industria e gjysmëpërçuesve po zvogëlon transistorët në shkallën atomike, një silikon në shkallë së shpejti do të jetë i papërshtatshëm për të. Dhe sa më shumë që kjo industri të përpiqet të tkurret silikoni përtej kufijve të tij optimalë, aq më i shtrenjtë do të bëhet çdo evolucion i mikroçipit.

Këtu jemi sot. Pas disa vitesh, silikoni nuk do të jetë më një material me kosto efektive për të ndërtuar gjeneratën e ardhshme të mikroçipëve të fundit. Ky kufi do të detyrojë një revolucion në elektronikë duke e detyruar industrinë e gjysmëpërçuesve (dhe shoqërinë) të zgjedhë midis disa opsioneve:

• Opsioni i parë është të ngadalësoni ose t'i jepni fund zhvillimit të kushtueshëm për të minimizuar më tej silikonin, në favor të gjetjes së mënyrave të reja për të dizajnuar mikroçipa që gjenerojnë më shumë fuqi përpunuese pa miniaturizim shtesë.

• Së dyti, gjeni materiale të reja që mund të manipulohen në shkallë shumë më të vogla se silikoni për të mbushur një numër gjithnjë e më të madh transistorësh në mikroçipe edhe më të dendura.

• Së treti, në vend që të përqendroheni në miniaturizimin ose përmirësimet e përdorimit të energjisë, rifokusohuni në shpejtësinë e përpunimit përmes krijimit të procesorëve që janë të specializuar për raste të veçanta përdorimi. Kjo mund të nënkuptojë në vend që të kenë një çip gjeneralist, kompjuterët e ardhshëm mund të kenë një grup çipash të specializuar. Shembujt përfshijnë çipat grafikë të përdorur për të përmirësuar videolojërat në Prezantimi i Google i çipit të njësisë së përpunimit tensor (TPU) që është i specializuar në aplikacionet e mësimit të makinerive.

• Së fundi, dizajnoni softuer të ri dhe infrastrukturë cloud që mund të funksionojë më shpejt dhe me efikasitet pa pasur nevojë për mikroçipa më të dendur/më të vegjël.

Cilin opsion do të zgjedhë industria jonë e teknologjisë? Realisht: të gjitha.

Linja e shpëtimit për Ligjin e Moore

Lista e mëposhtme është një vështrim i shkurtër në inovacionet afatshkurtra dhe afatgjata që konkurrentët brenda industrisë së gjysmëpërçuesve do të përdorin për të mbajtur gjallë Ligjin e Moore. Kjo pjesë është pak e dendur, por ne do të përpiqemi ta mbajmë të lexueshme.

nanomaterialeve. Kompanitë kryesore gjysmëpërçuese, si Intel, kanë njoftuar tashmë se do ta bëjnë hedh silikon pasi të arrijnë shkallët e miniaturizimit prej shtatë nanometrash (7nm). Kandidatët për të zëvendësuar silikonin përfshijnë antimonidin e indiumit (InSb), arsenidin e galiumit të indiumit (InGaAs) dhe silikon-germaniumin (SiGe), por materiali që po merr më shumë ngacmim duket se janë nanotubat e karbonit. Bërë nga grafiti - në vetvete një grumbull i përbërë i materialit të mrekullueshëm, grafeni - nanotubat e karbonit mund të bëhen atome të trashë, janë jashtëzakonisht përçues dhe vlerësohet të bëjnë mikroçipet e ardhshme deri në pesë herë më të shpejtë deri në vitin 2020.

Llogaritja optike. Një nga sfidat më të mëdha rreth projektimit të çipave është të sigurohet që elektronet të mos kalojnë nga një transistor në tjetrin – një konsideratë që bëhet pafundësisht më e vështirë sapo të hyni në nivelin atomik. Teknologjia në zhvillim e llogaritjes optike duket se zëvendëson elektronet me fotone, ku drita (jo energjia elektrike) kalon nga tranzistori në tranzistor. Në 2017, studiuesit ndërmorën një hap gjigant drejt këtij qëllimi duke demonstruar aftësinë për të ruajtur informacionin e bazuar në dritë (fotonet) si valë zanore në një çip kompjuteri. Duke përdorur këtë qasje, mikroçipet mund të funksionojnë afër shpejtësisë së dritës deri në vitin 2025.

Spintronics. Gjatë dy dekadave në zhvillim, transistorët spintronik përpiqen të përdorin 'spin' e një elektroni në vend të ngarkesës së tij për të përfaqësuar informacionin. Ndonëse është ende shumë larg nga komercializimi, nëse zgjidhet, kjo formë tranzistori do të ketë nevojë vetëm për 10-20 milivolt për të funksionuar, qindra herë më të vogla se transistorët konvencionalë; kjo do të largonte gjithashtu problemet e mbinxehjes me të cilat përballen kompanitë gjysmëpërçuese kur prodhojnë çipa gjithnjë e më të vegjël.

Llogaritja neuromorfike dhe memristorët. Një tjetër qasje e re për zgjidhjen e kësaj krize të përpunimit të afërt qëndron në trurin e njeriut. Hulumtuesit në IBM dhe DARPA, në veçanti, po udhëheqin zhvillimin e një lloji të ri mikroçipi - një çip, qarqet e integruara të të cilit janë krijuar për të imituar qasjen më të decentralizuar dhe jolineare të trurit ndaj kompjuterave. (Shikoni këtë Artikull ScienceBlogs për të kuptuar më mirë ndryshimet midis trurit të njeriut dhe kompjuterëve.) Rezultatet e hershme tregojnë se çipat që imitojnë trurin jo vetëm që janë dukshëm më efikasë, por ato funksionojnë duke përdorur jashtëzakonisht më pak watt sesa mikroçipet e ditës aktuale.

Duke përdorur të njëjtën qasje të modelimit të trurit, vetë tranzistori, blloku proverbial i ndërtimit të mikroçipit të kompjuterit tuaj, së shpejti mund të zëvendësohet nga memristori. Duke filluar në epokën "jonike", një memristor ofron një sërë avantazhesh interesante mbi transistorin tradicional:

• Së pari, memristorët mund të kujtojnë rrjedhën e elektroneve që kalon përmes tyre - edhe nëse energjia është ndërprerë. Përkthyer, kjo do të thotë që një ditë mund të ndizni kompjuterin tuaj me të njëjtën shpejtësi si llamba juaj.

• Transistorët janë binarë, ose 1 ose 0. Ndërkohë, memristorët mund të kenë një sërë gjendjesh midis atyre ekstremeve, si 0.25, 0.5, 0.747, etj. Kjo i bën memristorët të funksionojnë të ngjashëm me sinapset në trurin tonë, dhe kjo është një punë e madhe pasi mund të hapë një sërë kompjuterash në të ardhmen. mundësitë.

• Më tej, memristorët nuk kanë nevojë për silikon për të funksionuar, duke i hapur rrugën industrisë së gjysmëpërçuesve për të eksperimentuar me përdorimin e materialeve të reja për të minimizuar më tej mikroçipet (siç është përshkruar më herët).

• Së fundi, ngjashëm me gjetjet e bëra nga IBM dhe DARPA në llogaritjen neuromorfike, mikroçipet e bazuara në memristorë janë më të shpejtë, përdorin më pak energji dhe mund të mbajnë një densitet më të lartë informacioni sesa çipat aktualisht në treg.

Çipa 3D. Mikroçipet tradicionale dhe transistorët që i fuqizojnë ato funksionojnë në një plan të sheshtë dy-dimensional, por në fillim të viteve 2010, kompanitë gjysmëpërçuese filluan të eksperimentojnë me shtimin e një dimensioni të tretë në çipat e tyre. Të quajtur 'finFET', këta transistorë të rinj kanë një kanal që ngjitet nga sipërfaqja e çipit, duke u dhënë atyre kontroll më të mirë mbi atë që ndodh në kanalet e tyre, duke i lejuar ata të funksionojnë gati 40 përqind më shpejt dhe të funksionojnë duke përdorur gjysmën e energjisë. E keqja, megjithatë, është se këto çipa janë dukshëm më të vështira (të kushtueshme) për t'u prodhuar për momentin.

Por përtej ridizajnimit të transistorëve individualë, e ardhmja Çipa 3D synojnë gjithashtu të kombinojnë llogaritjen dhe ruajtjen e të dhënave në shtresa të grumbulluara vertikalisht. Tani për tani, kompjuterët tradicionalë i mbajnë memoriet e tyre centimetra larg procesorit. Por duke integruar memorien dhe komponentët e përpunimit, kjo distancë bie nga centimetra në mikrometra, duke mundësuar një përmirësim gjigant në shpejtësinë e përpunimit dhe konsumin e energjisë.

Llogaritja kuantike. Duke parë më tej në të ardhmen, një pjesë e madhe e llogaritjeve të nivelit të ndërmarrjes mund të funksionojë nën ligjet e frikshme të fizikës kuantike. Megjithatë, për shkak të rëndësisë së këtij lloji të llogaritjes, ne i dhamë atij kapitullin e vet në fund të kësaj serie.

Super mikroçipet nuk janë biznes i mirë

Mirë, kështu që ajo që lexoni më lart është e gjitha mirë dhe e mirë—po flasim për mikroçipa ultra efiçent ndaj energjisë të modeluar sipas trurit të njeriut që mund të funksionojnë me shpejtësinë e dritës—por gjëja është se industria e prodhimit të çipave gjysmëpërçues nuk është tepër të etur për t'i kthyer këto koncepte në një realitet të prodhuar në masë.

Gjigantët e teknologjisë, si Intel, Samsung dhe AMD, kanë investuar tashmë miliarda dollarë gjatë dekadave për të prodhuar mikroçipe tradicionale me bazë silikoni. Kalimi në ndonjë nga konceptet e reja të përmendura më sipër do të nënkuptonte heqjen e këtyre investimeve dhe shpenzimin e miliarda të tjera për ndërtimin e fabrikave të reja për të prodhuar në masë modele të reja mikroçipësh që kanë një histori shitjesh zero.

Nuk është vetëm investimi në kohë dhe para që i pengon këto kompani gjysmëpërçuese. Kërkesa e konsumatorëve për mikroçipa gjithnjë e më të fuqishëm është gjithashtu në rënie. Mendoni për këtë: Gjatë viteve '90 dhe shumicën e viteve '00, ishte pothuajse e ditur që do të tregtonit kompjuterin ose telefonin tuaj, nëse jo çdo vit, atëherë çdo vit tjetër. Kjo do t'ju lejojë të vazhdoni me të gjithë programet dhe aplikacionet e reja që po dilnin për ta bërë jetën tuaj të shtëpisë dhe të punës më të lehtë dhe më të mirë. Këto ditë, sa shpesh përmirësoni në modelin më të fundit të desktopit ose laptopit në treg?

Kur mendoni për smartfonin tuaj, keni në xhep atë që do të konsiderohej një superkompjuter vetëm 20 vjet më parë. Përveç ankesave për jetëgjatësinë e baterisë dhe memorien, shumica e telefonave të blerë që nga viti 2016 janë plotësisht të aftë për të ekzekutuar çdo aplikacion apo lojë celulare, për të transmetuar ndonjë video muzikore ose seancë të keqe të ballafaqimit me SO-në tuaj, ose çdo gjë tjetër që dëshironi të bëni në pajisjen tuaj. telefon. A ju duhet vërtet të shpenzoni 1,000 dollarë ose më shumë çdo vit për t'i bërë këto gjëra 10-15 për qind më mirë? A do ta vini re ndryshimin?

Për shumicën e njerëzve, përgjigja është jo.

E ardhmja e Ligjit të Moore

Në të kaluarën, shumica e financimeve të investimeve në teknologjinë gjysmëpërçuese vinin nga shpenzimet e mbrojtjes ushtarake. Më pas u zëvendësua nga prodhuesit e elektronikës së konsumit dhe deri në 2020-2023, investimet kryesore në zhvillimin e mëtejshëm të mikroçipeve do të zhvendosen përsëri, këtë herë nga industritë e specializuara në këto:

• Përmbajtja e gjeneratës tjetër. Prezantimi i ardhshëm i pajisjeve holografike, virtuale dhe të realitetit të shtuar për publikun e gjerë do të nxisë një kërkesë më të madhe për transmetimin e të dhënave, veçanërisht pasi këto teknologji piqen dhe rriten në popullaritet gjatë fundit të viteve 2020.

• cloud computing. Shpjegohet në pjesën tjetër të kësaj serie.

• Automjete autonome. Shpjeguar tërësisht në tonë E ardhmja e Transportit seri.

• Interneti i gjërave. Shpjeguar në tonë Internet e Gjërave kapitulli në tonë E ardhmja e internetit seri.

• Të dhëna të mëdha dhe analitikë. Organizatat që kërkojnë grumbullim të rregullt të të dhënave—mendojnë ushtrinë, eksplorimin e hapësirës, ​​parashikuesit e motit, farmaceutikën, logjistikën, etj.—do të vazhdojnë të kërkojnë kompjuterë gjithnjë e më të fuqishëm për të analizuar grupet e tyre gjithnjë në zgjerim të të dhënave të mbledhura.

Financimi për R&D në mikroçipet e gjeneratës së ardhshme do të ekzistojë gjithmonë, por pyetja është nëse niveli i financimit të nevojshëm për format më komplekse të mikroprocesorëve mund të vazhdojë me kërkesat e rritjes së Ligjit të Moore. Duke pasur parasysh koston e kalimit dhe komercializimit të formave të reja të mikroçipave, shoqëruar me ngadalësimin e kërkesës së konsumatorit, krizat e ardhshme të buxhetit të qeverisë dhe recesionet ekonomike, shanset janë që Ligji i Moore-it të ngadalësohet ose të ndalet për një kohë të shkurtër në fillim të viteve 2020, përpara se të rikthehet në fund të fundit. 2020, fillimi i viteve 2030.

Sa i përket arsyes pse Ligji i Moores do të rrisë përsëri shpejtësinë, le të themi vetëm se mikroçipet me fuqi turbo nuk janë revolucioni i vetëm që vjen në linjën e informatikës. Më tej në serinë tonë Future of Computers, ne do të eksplorojmë tendencat që nxisin rritjen e informatikës cloud.

Seria Future of Computers

Ndërfaqet e përdoruesve në zhvillim për të ripërcaktuar njerëzimin: E ardhmja e kompjuterëve P1

E ardhmja e zhvillimit të softuerit: E ardhmja e kompjuterëve P2

Revolucioni i ruajtjes dixhitale: E ardhmja e kompjuterëve P3

Cloud computing bëhet i decentralizuar: E ardhmja e kompjuterëve P5

Pse vendet po konkurrojnë për të ndërtuar superkompjuterët më të mëdhenj? E ardhmja e kompjuterëve P6

Si do ta ndryshojnë botën kompjuterët kuantikë: E ardhmja e kompjuterëve P7