Quantumrun

MKOPO WA PICHA: Quantumrun

Sheria inayofifia ya Moore ya kuzua fikra mpya ya kimsingi ya microchips: Mustakabali wa Kompyuta P4

David Tal, Mchapishaji, Futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Jumanne, 09/15/2020 - 15:39

Kompyuta - ni aina ya mpango mkubwa. Lakini ili kuthamini sana mienendo inayochipuka ambayo tumedokeza kufikia sasa katika mfululizo wetu wa Mustakabali wa Kompyuta, tunahitaji pia kuelewa mapinduzi ya kasi ya kukokotoa, au kwa urahisi: mustakabali wa kompyuta ndogo.

Ili kupata mambo ya msingi, tunapaswa kuelewa Sheria ya Moore, sheria maarufu sasa Dk. Gordon E. Moore iliyoanzishwa mwaka wa 1965. Kimsingi, kile ambacho Moore alitambua miongo hiyo yote iliyopita ni kwamba idadi ya transistors katika mzunguko jumuishi huongezeka maradufu. kila baada ya miezi 18 hadi 24. Hii ndiyo sababu kompyuta ile ile unayonunua leo kwa $1,000 itakugharimu $500 miaka miwili kuanzia sasa.

Kwa zaidi ya miaka hamsini, tasnia ya semiconductor imeishi kulingana na mtindo wa kuchanganya sheria hii, na kutengeneza njia kwa mifumo mipya ya uendeshaji, michezo ya video, kutiririsha video, programu za simu na kila teknolojia nyingine ya kidijitali ambayo imefafanua utamaduni wetu wa kisasa. Lakini ingawa mahitaji ya ukuaji huu yanaonekana kama yatabaki thabiti kwa nusu karne nyingine, silikoni - nyenzo za msingi ambazo microchips zote za kisasa zimejengwa - haionekani kama itakidhi mahitaji hayo kwa muda mrefu zaidi kupita 2021 - kulingana na ripoti ya mwisho kutoka kwa Ramani ya Teknolojia ya Kimataifa ya Semiconductors (ITRS)

Ni fizikia kweli: tasnia ya semiconductor inapunguza transistors hadi kiwango cha atomiki, silicon ya mizani hivi karibuni haitafaa. Na kadri tasnia hii inavyojaribu kupunguza silicon kupita mipaka yake bora, ndivyo kila mageuzi ya microchip yatakuwa ghali zaidi.

Hapa ndipo tulipo leo. Katika miaka michache, silicon haitakuwa tena nyenzo za gharama nafuu za kujenga kizazi kijacho cha microchips za kisasa. Kikomo hiki kitalazimisha mapinduzi katika vifaa vya elektroniki kwa kulazimisha tasnia ya semiconductor (na jamii) kuchagua kati ya chaguo chache:

Chaguo la kwanza ni kupunguza, au kukomesha, maendeleo ya gharama kubwa ili kupunguza zaidi silicon, kwa ajili ya kutafuta njia mpya za kuunda microchips zinazozalisha nguvu zaidi za usindikaji bila miniaturization ya ziada.
Pili, tafuta nyenzo mpya ambazo zinaweza kubadilishwa kwa mizani ndogo zaidi kuliko silikoni ili kujaza idadi kubwa zaidi ya transistors ndani ya microchips mnene zaidi.
Tatu, badala ya kuzingatia uboreshaji mdogo au uboreshaji wa matumizi ya nishati, zingatia tena kasi ya uchakataji kupitia kuunda vichakataji ambavyo vimeboreshwa kwa visa maalum vya matumizi. Hii inaweza kumaanisha badala ya kuwa na chipu moja ya jumla, kompyuta za baadaye zinaweza kuwa na kundi la chipsi maalum. Mifano ni pamoja na chip za michoro zinazotumika kuboresha michezo ya video Utangulizi wa Google ya chip ya Kitengo cha Uchakataji wa Tensor (TPU) ambayo ina utaalam wa utumizi wa mashine za kujifunza.
Hatimaye, tengeneza programu mpya na miundombinu ya wingu ambayo inaweza kufanya kazi kwa haraka na kwa ufanisi zaidi bila kuhitaji microchips mnene/ndogo.

Sekta yetu ya teknolojia itachagua chaguo gani? Kwa kweli: zote.

Njia ya maisha kwa Sheria ya Moore

Orodha ifuatayo ni muhtasari mfupi wa washindani wa karibu na wa muda mrefu wa ubunifu ndani ya tasnia ya semiconductor watatumia kuweka Sheria ya Moore hai. Sehemu hii ni mnene kidogo, lakini tutajaribu kuiweka isomeka.

nanomaterials. Kampuni zinazoongoza za semiconductor, kama Intel, tayari zimetangaza kwamba zitafanya hivyo kuacha silicon mara tu wanapofikia mizani ya miniaturization ya nanomita saba (7nm). Wagombea wa kuchukua nafasi ya silicon ni pamoja na indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), na silicon-germanium (SiGe) lakini nyenzo ambayo inapata msisimko zaidi inaonekana kuwa nanotubes za kaboni. Imetengenezwa kutoka kwa grafiti—yenyewe rundo la mchanganyiko wa nyenzo za ajabu, graphene—nanotubes za kaboni zinaweza kufanywa atomi nene, ni nzuri sana, na inakadiriwa kufanya microchips za siku zijazo hadi mara tano kwa kasi zaidi ifikapo 2020.

Kompyuta ya macho. Mojawapo ya changamoto kubwa katika kubuni chip ni kuhakikisha kuwa elektroni haziruki kutoka kwa transistor moja hadi nyingine—mazingira ambayo yanakuwa magumu sana mara tu unapoingia kwenye kiwango cha atomiki. Teknolojia inayoibukia ya kompyuta ya macho inaonekana kuchukua nafasi ya elektroni na fotoni, ambapo mwanga (sio umeme) hupitishwa kutoka kwa transistor hadi transistor. Katika 2017, watafiti walichukua hatua kubwa kuelekea lengo hilo kwa kuonyesha uwezo wa kuhifadhi habari zinazotegemea mwanga (photons) kama mawimbi ya sauti kwenye chip ya kompyuta. Kwa kutumia mbinu hii, microchips zinaweza kufanya kazi karibu na kasi ya mwanga ifikapo 2025.

Spintronics. Zaidi ya miongo miwili ya maendeleo, transistors za spintronic hujaribu kutumia 'spin' ya elektroni badala ya chaji yake kuwakilisha taarifa. Wakati bado ni njia ndefu kutoka kwa biashara, ikiwa kutatuliwa, aina hii ya transistor itahitaji tu millivolti 10-20 kufanya kazi, mamia ya mara ndogo kuliko transistors ya kawaida; hii pia ingeondoa maswala ya kuzidisha joto ambayo kampuni za semiconductor hukabili wakati wa kutengeneza chipsi ndogo zaidi.

Kompyuta ya Neuromorphic na memristors. Mbinu nyingine mpya ya kusuluhisha shida hii ya usindikaji inayokuja iko kwenye ubongo wa mwanadamu. Watafiti katika IBM na DARPA, hasa, wanaongoza ukuzaji wa aina mpya ya microchip-chip ambayo mizunguko yake iliyounganishwa imeundwa kuiga mbinu ya ubongo iliyogatuliwa zaidi na isiyo ya mstari kwenye kompyuta. (Angalia hii Makala ya ScienceBlogs ili kuelewa vyema tofauti kati ya ubongo wa binadamu na kompyuta.) Matokeo ya awali yanaonyesha kuwa chip zinazoiga ubongo sio tu kwamba zina ufanisi mkubwa zaidi, lakini zinafanya kazi kwa kutumia umeme mdogo sana kuliko microchips za sasa.

Kwa kutumia mbinu hiyo hiyo ya uundaji wa muundo wa ubongo, transistor yenyewe, kizuizi cha ujenzi cha methali cha microchip ya kompyuta yako, inaweza kubadilishwa hivi karibuni na memristor. Kuanzisha enzi ya "ionics", memristor inatoa idadi ya faida za kuvutia juu ya transistor ya jadi:

Kwanza, wakumbusho wanaweza kukumbuka mtiririko wa elektroni unaopita kupitia kwao-hata kama nguvu imekatwa. Ikitafsiriwa, hii inamaanisha siku moja unaweza kuwasha kompyuta yako kwa kasi sawa na balbu yako.
Transistors ni za binary, ama 1 au 0. Memristors, wakati huo huo, inaweza kuwa na hali tofauti kati ya hizo kali, kama 0.25, 0.5, 0.747, n.k. Hii hufanya kumbukumbu zifanye kazi sawa na sinepsi katika akili zetu, na hilo ni jambo kubwa kwa kuwa linaweza kufungua aina mbalimbali za kompyuta za siku zijazo. uwezekano.
Kisha, vikumbusho havihitaji silicon kufanya kazi, kufungua njia kwa tasnia ya semiconductor kufanya majaribio ya kutumia nyenzo mpya ili kupunguza zaidi microchips (kama ilivyoainishwa hapo awali).
Hatimaye, sawa na matokeo yaliyotolewa na IBM na DARPA katika kompyuta ya neuromorphic, microchips kulingana na memristors ni haraka, hutumia nishati kidogo, na inaweza kushikilia msongamano wa juu wa habari kuliko chips sasa kwenye soko.

Chips za 3D. Microchips za kitamaduni na transistors zinazozipa nguvu zinafanya kazi kwenye ndege tambarare, yenye pande mbili, lakini mwanzoni mwa miaka ya 2010, kampuni za semiconductor zilianza kufanya majaribio ya kuongeza mwelekeo wa tatu kwenye chips zao. Zinazoitwa 'finFET', transistors hizi mpya zina chaneli inayojikita kutoka kwenye uso wa chip, na kuzipa udhibiti bora wa kile kinachofanyika katika chaneli zao, na kuziruhusu kufanya kazi kwa kasi ya karibu asilimia 40, na kufanya kazi kwa kutumia nusu ya nishati. Upande wa chini, hata hivyo, ni kwamba chipsi hizi ni ngumu zaidi (gharama kubwa) kutengeneza kwa sasa.

Lakini zaidi ya kuunda upya transistors ya mtu binafsi, siku zijazo Chips za 3D pia inalenga kuchanganya uhifadhi wa kompyuta na data katika safu zilizopangwa kiwima. Hivi sasa, kompyuta za kitamaduni huweka vijiti vyao vya kumbukumbu kwa sentimita kutoka kwa kichakataji chake. Lakini kwa kuunganisha vipengele vya kumbukumbu na usindikaji, umbali huu unashuka kutoka kwa sentimita hadi micrometers, kuwezesha uboreshaji mkubwa katika kasi ya usindikaji na matumizi ya nishati.

Kompyuta ya Quantum. Kuangalia zaidi katika siku zijazo, sehemu kubwa ya kompyuta ya kiwango cha biashara inaweza kufanya kazi chini ya sheria zisizo za kawaida za fizikia ya quantum. Walakini, kwa sababu ya umuhimu wa aina hii ya kompyuta, tuliipa sura yake mwishoni mwa mfululizo huu.

Super microchips sio biashara nzuri

Sawa, kwa hivyo kile ulichosoma hapo juu ni sawa na nzuri-tunazungumza microchips zenye ufanisi zaidi wa nishati zilizoundwa baada ya ubongo wa binadamu ambao unaweza kukimbia kwa kasi ya mwanga-lakini jambo ni kwamba, sekta ya kutengeneza chip za semiconductor sio. hamu kupita kiasi kugeuza dhana hizi kuwa ukweli-zinazozalishwa kwa wingi.

Wakubwa wa teknolojia, kama Intel, Samsung, na AMD, tayari wamewekeza mabilioni ya dola kwa miongo kadhaa ili kuzalisha microchips za kitamaduni zenye msingi wa silicon. Kuhamia dhana zozote za riwaya zilizotajwa hapo juu kunaweza kumaanisha kufuta uwekezaji huo na kutumia mabilioni zaidi katika ujenzi wa viwanda vipya ili kuzalisha kwa wingi miundo mipya ya microchip ambayo ina rekodi ya mauzo ya sifuri.

Sio tu uwekezaji wa wakati na pesa unaorudisha nyuma kampuni hizi za semiconductor. Mahitaji ya watumiaji wa microchips zenye nguvu zaidi pia yanapungua. Fikiria juu yake: Katika miaka ya 90 na zaidi ya miaka ya 00, ilikuwa karibu kutolewa kwamba ungefanya biashara katika kompyuta au simu yako, ikiwa si kila mwaka, basi kila mwaka mwingine. Hii itakuruhusu ufuate programu na programu zote mpya ambazo zilikuwa zikitoka ili kufanya maisha yako ya nyumbani na kazini kuwa rahisi na bora. Siku hizi, ni mara ngapi unapata toleo jipya la kompyuta ya mezani au ya kisasa sokoni?

Unapofikiria simu yako mahiri, mfukoni mwako una kile ambacho kingezingatiwa kuwa kompyuta kubwa miaka 20 tu iliyopita. Kando na malalamiko kuhusu maisha ya betri na kumbukumbu, simu nyingi zilizonunuliwa tangu 2016 zina uwezo wa kuendesha programu yoyote au mchezo wa simu ya mkononi, kutiririsha video yoyote ya muziki au kipindi cha ubinafsi na SO yako, au kitu kingine chochote ambacho ungependa kufanya kwenye simu yako. simu. Je, unahitaji kweli kutumia $1,000 au zaidi kila mwaka kufanya mambo haya kwa asilimia 10-15 bora zaidi? Je, hata utaona tofauti?

Kwa watu wengi, jibu ni hapana.

Mustakabali wa Sheria ya Moore

Hapo awali, fedha nyingi za uwekezaji katika teknolojia ya semiconductor zilitoka kwa matumizi ya ulinzi wa kijeshi. Kisha ilibadilishwa na watengenezaji wa vifaa vya elektroniki vya watumiaji, na ifikapo 2020-2023, uwekezaji unaoongoza katika ukuzaji zaidi wa microchip utahama tena, wakati huu kutoka kwa tasnia zinazobobea katika yafuatayo:

Yaliyomo kwenye Gen. Utangulizi ujao wa vifaa vya holografia, uhalisia pepe na uhalisia ulioboreshwa kwa umma utachochea hitaji kubwa la utiririshaji wa data, hasa teknolojia hizi zinapoendelea kukomaa na umaarufu mwishoni mwa miaka ya 2020.
wingu kompyuta. Imefafanuliwa katika sehemu inayofuata ya mfululizo huu.
Magari yanayojitegemea. Imefafanuliwa kabisa katika yetu Mustakabali wa Usafiri mfululizo.
Mtandao wa mambo. Imefafanuliwa katika yetu Internet ya Mambo sura katika yetu Mustakabali wa Mtandao mfululizo.
Takwimu kubwa na uchanganuzi. Mashirika ambayo yanahitaji uchanganuzi wa data mara kwa mara—wanafikiri wanajeshi, uchunguzi wa anga, watabiri wa hali ya hewa, dawa, vifaa, n.k—yataendelea kudai kompyuta zenye nguvu zaidi ili kuchanganua seti zao zinazopanuka kila mara za data iliyokusanywa.

Ufadhili wa R&D katika vichipu vidogo vya kizazi kijacho utakuwepo kila wakati, lakini swali ni ikiwa kiwango cha ufadhili kinachohitajika kwa aina ngumu zaidi za vichakataji vidogo kinaweza kuendana na mahitaji ya ukuaji wa Sheria ya Moore. Kwa kuzingatia gharama ya kubadili na kufanya biashara ya aina mpya za microchips, pamoja na kupungua kwa mahitaji ya watumiaji, kushuka kwa bajeti ya serikali ya siku zijazo na kushuka kwa uchumi, kuna uwezekano kwamba Sheria ya Moore itapungua au kusimama kwa muda mfupi katika miaka ya mapema ya 2020, kabla ya kurejeshwa na marehemu. 2020, mapema 2030.

Kuhusu kwa nini Sheria ya Moore itashika kasi tena, hebu tuseme kwamba microchips zinazoendeshwa na turbo sio mapinduzi pekee yanayokuja kwenye bomba la kompyuta. Inayofuata katika mfululizo wetu wa Mustakabali wa Kompyuta, tutachunguza mitindo inayochochea ukuaji wa kompyuta ya mtandaoni.