Hukum Moore anu luntur pikeun narik pamikiran ulang dasar tina microchips: Masa Depan Komputer P4

Komputer - aranjeunna mangrupikeun masalah anu ageung. Tapi pikeun leres-leres ngahargaan tren anu muncul anu ku kami parantos ditingali dina séri Future of Computers kami, urang ogé kedah ngartos révolusi anu ngaluncurkeun pipa komputasi, atanapi ngan saukur: masa depan microchips.

Pikeun meunangkeun dasar kaluar tina jalan, urang kudu ngarti Hukum Moore urang, hukum kiwari kawentar Dr Gordon E. Moore diadegkeun dina 1965. Intina, naon Moore sadar sakabeh jalma dasawarsa ka tukang nyaéta yén jumlah transistor dina sirkuit terpadu ganda. unggal 18 nepi ka 24 bulan. Ieu naha komputer anu sami anu anjeun mésér ayeuna $1,000 bakal ngarugikeun anjeun $500 dua taun ti ayeuna.

Pikeun leuwih ti lima puluh taun, industri semikonduktor geus hirup nepi ka trendline compounding hukum ieu, paving jalan pikeun sistem operasi anyar, video kaulinan, video streaming, aktip mobile, sarta unggal téhnologi digital lianna nu geus nangtukeun budaya modern urang. Tapi samentawis paménta pikeun kamekaran ieu sigana bakal tetep ajeg pikeun satengah abad deui, silikon — bahan dasar sadaya microchip modern anu diwangun — henteu katingali sapertos bakal nyumponan paménta éta langkung lami langkung lami 2021 — dumasar kana laporan panungtungan ti Peta Jalan Téknologi Internasional pikeun Semikonduktor (ITRS)

Nyaan fisika: industri semikonduktor nyusut transistor kana skala atom, skala silikon enggal janten teu cocog. Jeung beuki industri ieu nyoba ngaleutikan silikon kaliwat wates optimal na, beuki mahal unggal évolusi microchip bakal jadi.

Ieu tempat urang ayeuna. Dina sababaraha taun, silikon moal deui jadi bahan ongkos-éféktif pikeun ngawangun generasi saterusna microchips motong-ujung. Wates ieu bakal maksakeun revolusi dina éléktronika ku maksa industri semikonduktor (jeung masarakat) pikeun milih antara sababaraha pilihan:

• Pilihan kahiji nyaéta ngalambatkeun, atanapi mungkas, pangwangunan anu mahal pikeun ngaminiaturkeun silikon, pikeun milarian cara-cara énggal pikeun ngarancang microchips anu ngahasilkeun kakuatan pangolahan langkung tanpa miniaturisasi tambahan.

• Kadua, milari bahan anyar anu tiasa dimanipulasi dina skala anu langkung alit tibatan silikon pikeun ngeusian jumlah transistor anu langkung ageung kana microchip anu langkung padet.

• Katilu, tinimbang museurkeun kana miniaturisasi atanapi perbaikan pamakean listrik, pokus deui kana laju ngolah ku cara nyiptakeun prosesor anu khusus pikeun kasus pamakean khusus. Ieu bisa hartosna tinimbang gaduh hiji chip generalist, komputer hareup bisa boga gugusan chip spesialis. Conto kaasup chip grafik dipaké pikeun ngaronjatkeun video kaulinan pikeun bubuka Google tina chip Tensor Processing Unit (TPU) anu khusus dina aplikasi pembelajaran mesin.

• Tungtungna, rancang parangkat lunak anyar sareng infrastruktur awan anu tiasa beroperasi langkung gancang sareng langkung éfisién tanpa peryogi microchip anu langkung padet/leutik.

Pilihan mana anu bakal dipilih industri téknologi urang? Realistis: sadayana.

The lifeline pikeun Hukum Moore urang

Daptar di handap ieu mangrupakeun sakedapan ringkes kana pesaing inovasi jangka panjang sareng caket dina industri semikonduktor anu bakal dianggo pikeun ngajaga Hukum Moore. Bagian ieu rada padet, tapi urang bakal nyobian tetep tiasa dibaca.

Nanomaterial. Perusahaan semikonduktor utama, sapertos Intel, parantos ngumumkeun yén aranjeunna bakal leupaskeun silikon sakali maranéhna ngahontal skala miniaturization tujuh nanometer (7nm). Calon pikeun ngaganti silikon kaasup indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), jeung silikon-germanium (SiGe) tapi bahan anu paling pikagumbiraeun sigana nanotube karbon. Dijieunna tina grafit—soranganna tumpukan komposit tina bahan héran, graphene—karbon nanotube bisa dijieun atom kandel, kacida conductive, sarta diperkirakeun nyieun microchip hareup nepi ka lima kali leuwih gancang ku 2020.

komputasi optik. Salah sahiji tantangan pangbadagna dina ngarancang chip nyaéta mastikeun yén éléktron henteu luncat tina hiji transistor ka transistor anu sanés - pertimbangan anu bakal langkung hese upami anjeun lebet kana tingkat atom. Téknologi komputasi optik anu munculna sigana ngagentos éléktron ku foton, dimana cahaya (sanes listrik) dialihkeun tina transistor ka transistor. dina 2017, panalungtik nyandak léngkah raksasa nuju tujuan ieu ku demonstrating kamampuhan pikeun nyimpen informasi dumasar-cahaya (foton) salaku gelombang sora dina chip komputer. Ngagunakeun pendekatan ieu, microchips bisa beroperasi deukeut speed cahaya ku 2025.

Spintronics. Leuwih dua dasawarsa dina pangwangunan, transistor spintronic nyobian ngagunakeun 'spin' éléktron tinimbang muatanana pikeun ngagambarkeun informasi. Bari masih jauh ti commercialization, lamun direngsekeun, bentuk transistor ieu ngan butuh 10-20 millivolts pikeun beroperasi, ratusan kali leuwih leutik batan transistor konvensional; Ieu ogé bakal ngaleungitkeun masalah overheating perusahaan semikonduktor nalika ngahasilkeun chip anu langkung alit.

Komputasi Neuromorphic sareng memristor. Pendekatan novél anu sanés pikeun ngarengsekeun krisis pamrosésan ieu aya dina otak manusa. Panaliti di IBM sareng DARPA, khususna, nuju ngembangkeun jinis microchip énggal - chip anu sirkuit terpadu dirancang pikeun meniru pendekatan otak anu langkung desentralisasi sareng non-linier pikeun komputasi. (Parios ieu Artikel ScienceBlogs pikeun hadé ngartos béda antara otak manusa jeung komputer.) Hasil awal nunjukkeun yén chip nu meniru otak teu ngan nyata leuwih efisien, tapi aranjeunna beroperasi ngagunakeun unbelievably kirang wattage ti microchips dinten ayeuna.

Ngagunakeun pendekatan modeling otak sarua ieu, transistor sorangan, blok wangunan proverbial microchip komputer anjeun, bisa geura-giru diganti ku memristor nu. Ushering dina "ionics" era, memristor a nawarkeun sababaraha kaunggulan metot leuwih transistor tradisional:

• Kahiji, memristors bisa nginget aliran éléktron ngaliwatan aranjeunna-sanajan kakuatan pareum. Ditarjamahkeun, ieu hartosna hiji dinten anjeun tiasa ngaktipkeun komputer dina laju anu sami sareng bohlam lampu anjeun.

• Transistor binér, boh 1s atanapi 0s. Memristors, Samentara éta, bisa boga rupa-rupa kaayaan antara maranéhanana extremes, kawas 0.25, 0.5, 0.747, jsb Hal ieu ngajadikeun memristors beroperasi sarupa synapses dina brains urang, sarta éta deal badag saprak éta bisa muka nepi sauntuyan komputasi hareup. kamungkinan.

• Salajengna, memristor henteu peryogi silikon pikeun fungsina, muka jalur pikeun industri semikonduktor pikeun ékspérimén nganggo bahan énggal pikeun ngaminiaturkeun microchip (sapertos anu dijelaskeun sateuacana).

• Tungtungna, sarupa jeung papanggihan dijieun ku IBM na DARPA kana komputasi neuromorphic, microchips dumasar memristors leuwih gancang, ngagunakeun kirang énergi, sarta bisa nahan dénsitas informasi nu leuwih luhur ti chip ayeuna dina pasaran.

chip 3D. Microchip tradisional sareng transistor anu ngawasa aranjeunna beroperasi dina pesawat datar dua diménsi, tapi dina awal taun 2010, perusahaan semikonduktor mimiti ékspérimén sareng nambihan dimensi katilu kana chipna. Disebut 'finFET', transistor anyar ieu ngagaduhan saluran anu nempel tina permukaan chip, masihan aranjeunna kontrol anu langkung saé kana naon anu lumangsung dina saluranna, ngamungkinkeun aranjeunna ngajalankeun ampir 40 persén langkung gancang, sareng beroperasi nganggo satengah énergi. The downside, kumaha oge, chip ieu nyata leuwih hese (ongkosna mahal) pikeun ngahasilkeun ayeuna.

Tapi saluareun redesigning nu transistor individu, hareup chip 3D ogé boga tujuan pikeun ngagabungkeun komputasi jeung neundeun data dina lapisan vertikal tumpuk. Ayeuna, komputer tradisional ngagaduhan mémori séntiméter ti prosesorna. Tapi ku ngahijikeun mémori sareng ngolah komponén, jarak ieu turun tina séntiméter ka mikrométer, ngamungkinkeun paningkatan raksasa dina laju ngolah sareng konsumsi énergi.

Komputasi kuantum. Ningali langkung jauh ka hareup, sakumpulan ageung komputasi tingkat perusahaan tiasa beroperasi dina hukum fisika kuantum anu aneh. Nanging, kusabab pentingna jenis komputasi ieu, kami masihan éta bab sorangan dina tungtung séri ieu.

Super microchips henteu bisnis anu saé

Oke, janten naon anu anjeun baca di luhur sadayana saé sareng saé - urang nyarioskeun microchip hémat énergi anu dimodelkeun saatos otak manusa anu tiasa ngajalankeun laju cahaya-tapi masalahna, industri pembuatan chip semikonduktor henteu. overly hayang pisan ngahurungkeun konsep ieu kana realitas masal-dihasilkeun.

Raksasa téknologi, sapertos Intel, Samsung, sareng AMD, parantos investasi milyaran dolar salami sababaraha dekade pikeun ngahasilkeun microchips berbasis silikon tradisional. Mindahkeun kana salah sahiji konsép novél anu disebatkeun di luhur bakal hartosna ngaleungitkeun investasi éta sareng nyéépkeun milyaran deui pikeun ngawangun pabrik énggal pikeun ngahasilkeun modél microchip énggal anu gaduh catetan penjualan nol.

Henteu ngan ukur waktos sareng investasi artos anu nahan perusahaan semikonduktor ieu deui. Paménta konsumen pikeun microchip anu langkung kuat ogé ngirangan. Pikirkeun hal ieu: Salila 90s sarta lolobana 00s, ieu ampir dibikeun yén anjeun bakal dagang di komputer atawa telepon, lamun teu unggal taun, lajeng unggal taun séjén. Ieu bakal ngantep anjeun nuturkeun sadaya parangkat lunak sareng aplikasi anyar anu kaluar pikeun ngajantenkeun bumi sareng padamelan anjeun langkung gampang sareng langkung saé. Dinten ieu, sabaraha sering anjeun ningkatkeun ka model desktop atanapi laptop panganyarna dina pasaran?

Nalika anjeun mikir ngeunaan smartphone anjeun, anjeun gaduh dina saku anjeun naon anu bakal dianggap superkomputer ngan 20 taun ka pengker. Salian ti keluhan ngeunaan umur batre sareng mémori, kalolobaan telepon anu digaleuh ti saprak 2016 sampurna sanggup ngajalankeun aplikasi atanapi kaulinan sélulér naon waé, ngalirkeun pidéo musik atanapi sési facetiming bangor sareng SO anjeun, atanapi seueur anu sanés anu anjeun hoyong laksanakeun dina anjeun. telepon. Naha anjeun leres-leres kedah nyéépkeun $ 1,000 atanapi langkung unggal taun pikeun ngalakukeun hal-hal ieu 10-15 persén langkung saé? Naha anjeun bakal perhatikeun bédana?

Kanggo sabagéan ageung jalma, jawabanna henteu.

Masa depan Hukum Moore

Baheula, kalolobaan dana investasi kana téknologi semikonduktor asalna tina belanja pertahanan militér. Ieu lajeng diganti ku pabrik éléktronika konsumén, sarta ku 2020-2023, investasi ngarah kana ngembangkeun microchip salajengna bakal mindahkeun deui, waktos ieu ti industri specializing di handap:

• eusi Next-Gen. Perkenalan alat-alat holographic, virtual sareng augmented reality ka masarakat umum bakal ngadorong paménta anu langkung ageung pikeun streaming data, khususna nalika téknologi ieu dewasa sareng popularitasna dina ahir taun 2020an.

• komputasi awan. Dijelaskeun dina bagian saterusna séri ieu.

• Kandaraan otonom. Dijelaskeun sacara saksama di urang Kahareup Transportasi runtuyan.

• Internét tina hal. Dijelaskeun dina urang Internét tina ieu Hirup bab di urang Kahareup Internet runtuyan.

• data badag sarta analytics. Organisasi anu merlukeun data crunching biasa-pikir militér, eksplorasi spasi, forecasters cuaca, farmasi, logistik, jsb-bakal neruskeun paménta komputer beuki kuat pikeun nganalisis set maranéhna kantos-ngembangna data dikumpulkeun.

Pendanaan pikeun R&D kana microchips generasi salajengna bakal salawasna aya, tapi patarosanna naha tingkat dana anu dipikabutuh pikeun bentuk mikroprosesor anu langkung kompleks tiasa ngiringan tungtutan pertumbuhan Hukum Moore. Dibikeun biaya ngalih sareng ngakomersialkeun bentuk microchip énggal, ditambah ku paménta konsumen anu ngalambatkeun, krisis anggaran pamaréntahan masa depan sareng resesi ékonomi, kamungkinan yén Hukum Moore bakal ngalambatkeun atanapi lirén sakedap dina awal taun 2020an, sateuacan ngangkat deui ku telat. 2020s, awal 2030s.

Naha Hukum Moore bakal ngagancangkeun deui, nya, hayu urang nyarios yén microchips turbo-powered sanés hiji-hijina revolusi anu turun kana pipa komputasi. Salajengna dina séri Future of Computers urang, urang bakal ngajalajah tren anu nyababkeun kamekaran komputasi awan.

Kahareup runtuyan Komputer

Antarmuka pangguna anu muncul pikeun ngartikeun deui umat manusa: Masa depan komputer P1

Masa depan pamekaran parangkat lunak: Masa depan komputer P2

Revolusi neundeun digital: Masa Depan Komputer P3

Komputasi awan janten desentralisasi: Masa Depan Komputer P5

Naha nagara-nagara bersaing pikeun ngawangun superkomputer panggedéna? Kahareup Komputer P6

Kumaha komputer kuantum bakal ngarobah dunya: Masa Depan Komputer P7