Квантумрун

Кредити тасвирӣ: Квантумрун

Қонуни нопадидшудаи Мур барои бозбинии бунёдии микрочипҳо: Ояндаи компютерҳо P4

Дэвид Тал, ношир, футурист
@DavidTalWrites
LinkedIn

Сешанбе, 09 - 15:2020

Компютерҳо - онҳо як чизи бузурганд. Аммо барои воқеан қадр кардани тамоюлҳои пайдошавандае, ки мо то имрӯз дар силсилаи ояндаи компютерҳо ишора кардаем, мо инчунин бояд инқилобҳоеро, ки дар қубури ҳисоббарорӣ ба поён мерасанд, фаҳмем, ё танҳо: ояндаи микрочипҳо.

Барои он ки асосҳоро аз роҳ дур кунем, мо бояд Қонуни Мурро фаҳмем, қонуни ҳоло машҳури доктор Гордон Э. Мур соли 1965 таъсис дода шудааст. Аслан он чизе ки Мур тамоми он даҳсолаҳо пеш дарк кард, ин аст, ки шумораи транзисторҳо дар микросхемаҳои интегралӣ дучанд мешавад. ҳар 18 то 24 моҳ. Ин аст, ки ҳамон компютере, ки шумо имрӯз бо нархи 1,000 доллар мехаред, пас аз ду сол ба шумо 500 доллар арзиш хоҳад дошт.

Дар тӯли зиёда аз панҷоҳ сол, саноати нимноқилҳо ба тамоюли мураккаби ин қонун мувофиқат карда, роҳро барои системаҳои нави амалиётӣ, бозиҳои видеоӣ, видеои ҷараёнӣ, барномаҳои мобилӣ ва ҳар як технологияи дигари рақамӣ, ки фарҳанги муосири моро муайян кардааст, мекушояд. Аммо дар ҳоле ки талабот ба ин афзоиш ба назар мерасад, ки он ним асри дигар устувор боқӣ хоҳад монд, кремний - маводи таҳкурсӣ, ки ҳама микрочипҳои муосир бо он сохта шудаанд, ба назар намерасанд, ки он талаботро дар тӯли соли 2021 қонеъ хоҳад кард. гузориши охирин аз Харитаи роҳи байналмилалии технология барои нимноқилҳо (ITRS)

Ин дар ҳақиқат физика аст: саноати нимноқилҳо транзисторҳоро ба миқёси атомӣ коҳиш медиҳад, кремнийи миқёсӣ ба зудӣ корношоям хоҳад шуд. Ва чӣ қадаре ки ин соҳа кӯшиш кунад, ки кремнийро аз ҳадди оптималии худ кам кунад, ҳар як эволютсияи микрочип ҳамон қадар гаронтар мешавад.

Ин аст, ки мо имрӯз дар онем. Пас аз чанд сол, кремний дигар маводи камхарҷ барои сохтани насли ояндаи микрочипҳои муосир нахоҳад буд. Ин маҳдудият инқилобро дар электроника тавассути маҷбур кардани саноати нимноқилҳо (ва ҷомеа) маҷбур мекунад, ки дар байни якчанд вариант интихоб кунад:

Варианти аввал суст кардан ё хотима додан ба рушди гаронбаҳо барои миниатюризатсияи минбаъдаи кремний ба манфиати дарёфти роҳҳои нави тарроҳии микрочипҳо, ки бе миниатюризатсияи иловагӣ қувваи коркарди бештар тавлид мекунанд.
Дуюм, маводҳои наверо пайдо кунед, ки онҳоро нисбат ба кремний дар миқёси хеле хурдтар идора кардан мумкин аст, то шумораи бештари транзисторҳоро ба микрочипҳои боз ҳам зичтар ҷойгир кунанд.
Сеюм, ба ҷои тамаркуз ба миниатюризатсия ё беҳбуди истифодаи нерӯ, диққати худро ба суръати коркард тавассути эҷоди протсессорҳое, ки барои ҳолатҳои мушаххаси истифода махсус шудаанд, равона кунед. Ин метавонад маънои онро дошта бошад, ки ба ҷои доштани як чипи умумӣ, компютерҳои оянда метавонанд кластери микросхемаҳои махсус дошта бошанд. Мисолҳо иборатанд аз микросхемаҳои графикӣ, ки барои беҳтар кардани бозиҳои видео истифода мешаванд муаррифии Google чипи Тензор Процесси Воҳиди (TPU), ки дар барномаҳои омӯзиши мошин тахассус дорад.
Ниҳоят, нармафзори нав ва инфрасохтори абриро тарҳрезӣ кунед, ки метавонанд бидуни ниёз ба микрочипҳои зичтар/хурдтар тезтар ва самараноктар кор кунанд.

Саноати технологии мо кадом вариантро интихоб мекунад? Воқеан: ҳама.

Хатти ҳаёт барои Қонуни Мур

Рӯйхати зерин як назари мухтасар ба навовариҳои наздик ва дарозмуддатест, ки рақибони саноати нимноқилҳо барои зинда нигоҳ доштани Қонуни Мур истифода хоҳанд кард. Ин қисм каме зич аст, аммо мо кӯшиш мекунем, ки онро барои хондан нигоҳ дорем.

Наноматериалҳо. Ширкатҳои пешрафтаи нимноқилҳо, ба монанди Intel, аллакай эълон карданд, ки хоҳанд кард силикон партоед вақте ки онҳо ба миқёси миниатюризатсияи ҳафт нанометр (7 нм) мерасад. Номзадҳо барои иваз кардани кремний аз антимониди индий (InSb), арсениди галлиум индий (InGaAs) ва кремний-германий (SiGe) иборатанд, аммо маводе, ки аз ҳама ҳаяҷоновар аст, нанотубаҳои карбон ба назар мерасад. Нанотубаҳои карбон, ки аз графит сохта шудаанд, ки аз маводи аҷибе, графен иборат аст, метавонанд атомҳои ғафс сохта шаванд, бениҳоят гузаронанд ва тахмин зада мешаванд, ки микрочипҳои ояндаро то соли 2020 то панҷ маротиба тезтар созанд.

Ҳисоббарории оптикӣ. Яке аз мушкилиҳои бузургтарин дар тарҳрезии микросхемаҳо ин таъмини он аст, ки электронҳо аз як транзистор ба транзистори дигар нагузаранд - ин баррасии он вақте ки шумо ба сатҳи атом ворид мешавед, беохир душвортар мешавад. Технологияи пайдошудаи ҳисоббарории оптикӣ назар мекунад, ки электронҳоро бо фотонҳо иваз кунад, ки тавассути он нур (на қувваи барқ) аз транзистор ба транзистор мегузарад. Дар 2017, муҳаққиқон бо нишон додани қобилияти нигоҳ доштани иттилоот дар асоси рӯшноӣ (фотонҳо) ҳамчун мавҷҳои садо дар чипи компютер қадами бузурге ба сӯи ин ҳадаф гузоштанд. Бо истифода аз ин равиш, микрочипҳо метавонанд то соли 2025 дар наздикии суръати рӯшноӣ кор кунанд.

Спинтроника. Дар тӯли ду даҳсолаи рушд, транзисторҳои спинтронӣ кӯшиш мекунанд, ки "чарх" -и электронро ба ҷои зарядаш барои муаррифии иттилоот истифода баранд. Дар ҳоле, ки ҳанӯз аз тиҷоратсозӣ дур аст, агар ҳалли ин шакли транзистор барои кор танҳо 10-20 милливолт лозим аст, ки аз транзисторҳои муқаррарӣ садҳо маротиба хурдтар аст; ин инчунин мушкилоти аз ҳад зиёд гармшавии ширкатҳои нимноқил ҳангоми истеҳсоли микросхемаҳои хурдтарро бартараф мекунад.

Компютерҳои нейроморфӣ ва мемристорҳо. Боз як равиши нав барои ҳалли ин бӯҳрони коркарди коркард дар майнаи инсон ҷойгир аст. Муҳаққиқони IBM ва DARPA, бахусус, дар таҳияи як навъи нави микрочип - чип, ки микросхемаҳои интегралӣ барои тақлид кардани равиши ғайримарказикунонидашудаи мағзи сар ба ҳисоббарорӣ тарҳрезӣ шудаанд, роҳбарӣ мекунанд. (Инро санҷед Мақолаи ScienceBlogs Барои беҳтар фаҳмидани фарқиятҳои байни мағзи сари инсон ва компютерҳо.) Натиҷаҳои аввал нишон медиҳанд, ки микросхемаҳои тақлидкунандаи майна на танҳо ба таври назаррас самараноктаранд, балки онҳо бо истифода аз ватт ба таври бениҳоят камтар аз микрочипҳои имрӯза кор мекунанд.

Бо истифода аз ҳамин равиши моделсозии майна, худи транзистор, блоки масали микрочипи компютери шумо, метавонад ба зудӣ бо memristor иваз карда шавад. Дар давраи "ионика" оғоз карда, мемристор нисбат ба транзистори анъанавӣ як қатор бартариҳои ҷолибро пешниҳод мекунад:

Аввалан, мемристорҳо метавонанд ҷараёни электронро, ки тавассути онҳо мегузарад, дар хотир доранд - ҳатто агар қувваи барқ қатъ карда шавад. Тарҷума, ин маънои онро дорад, ки рӯзе шумо метавонед компютери худро бо суръати ҳамон лампаи худ фурӯзон кунед.
Транзисторҳо дуӣ мебошанд, ё 1s ё 0s. Дар ҳамин ҳол, мемристорҳо метавонанд дар байни ин ифротҳо ҳолатҳои гуногун дошта бошанд, ба монанди 0.25, 0.5, 0.747 ва ғайра. Ин имкон медиҳад, ки хотираҳо ба синапсҳои майнаи мо монанд кор кунанд ва ин як чизи бузург аст, зеро он метавонад як қатор компютерҳои ояндаро боз кунад. имкониятхо.
Баъдан, мемристорҳо барои кор кардан ба кремний эҳтиёҷ надоранд ва барои саноати нимноқилҳо роҳ мекушоянд, то бо истифодаи маводи нав барои миниатюризатсияи микрочипҳо (тавре ки қаблан зикр шуда буд) таҷриба кунанд.
Дар ниҳоят, ба монанди бозёфтҳои IBM ва DARPA дар компютерҳои нейроморфӣ, микрочипҳо дар асоси мемристорҳо тезтаранд, энергияи камтарро истифода мебаранд ва метавонанд зичии бештари иттилоотро нисбат ба микросхемаҳои ҳозира дар бозор нигоҳ доранд.

Чипҳои 3D. Микрочипҳои анъанавӣ ва транзисторҳое, ки ба онҳо нерӯи барқ медиҳанд, дар як ҳавопаймои дученака кор мекунанд, аммо дар аввали солҳои 2010-ум ширкатҳои нимноқил ба озмоиши илова кардани андозаи сеюм ба микросхемаҳои худ шурӯъ карданд. Ин транзисторҳои нав "finFET" ном доранд, канале доранд, ки аз сатҳи чип боло мепайвандад ва ба онҳо назорати беҳтари он чи дар каналҳои онҳо рух медиҳад, имкон медиҳад, ки тақрибан 40% тезтар кор кунанд ва бо истифода аз нисфи энергия кор кунанд. Бо вуҷуди ин, манфии он дар он аст, ки ин микросхемаҳо дар айни замон истеҳсоли он ба таври назаррас мушкилтар (гаронарзиш) мебошанд.

Аммо ба ҷуз аз нав тарҳрезии транзисторҳои инфиродӣ, оянда Чипҳои 3D инчунин ҳадафи муттаҳид кардани ҳисоббарорӣ ва нигаҳдории маълумот дар қабатҳои амудӣ мебошад. Дар айни замон, компютерҳои анъанавӣ чӯбҳои хотираи худро аз протсессори он сантиметр дур ҷойгир мекунанд. Аммо бо муттаҳид кардани ҷузъҳои хотира ва коркард, ин масофа аз сантиметр то микрометр коҳиш меёбад ва имкон медиҳад, ки суръати коркард ва масрафи энергия беҳтар шавад.

Ҳисобкунии квантӣ. Ба оянда назар андозем, як қисми зиёди ҳисоббарории сатҳи корхона метавонад тибқи қонунҳои аҷиби физикаи квантӣ кор кунад. Аммо, аз сабаби аҳамияти ин намуди ҳисоббарорӣ, мо дар охири ин силсила боби худро додем.

Микрочипҳои супер тиҷорати хуб нестанд

Хуб, пас он чизе, ки шумо дар боло хонед, ҳамааш хуб ва хуб аст - мо дар бораи микрочипҳои ултра каммасрафи энергия сухан меронем, ки ба мағзи сари инсон модел карда шудаанд, ки метавонанд бо суръати рӯшноӣ кор кунанд - аммо гап дар он аст, ки саноати чипҳои нимноқилӣ барои ба вокеияти оммавй табдил додани ин концепцияхо аз хад зиёд майл доранд.

Бузургҷуссаҳои технологӣ, ба монанди Intel, Samsung ва AMD, дар тӯли даҳсолаҳо барои тавлиди микрочипҳои анъанавии бар кремний асосёфта миллиардҳо доллар сармоягузорӣ кардаанд. Гузариш ба ҳар кадоме аз мафҳумҳои наве, ки дар боло зикр шуд, маънои аз даст додани ин сармоягузорӣ ва харҷи миллиардҳо бештар барои сохтани корхонаҳои нав барои тавлиди оммавии моделҳои нави микрочип, ки рекорди фурӯши сифр доранд, хоҳад буд.

Ин ширкатҳои нимноқилро на танҳо сармоягузории вақт ва пул бозмедорад. Талаботи истеъмолкунандагон ба микрочипҳои қавитар низ коҳиш меёбад. Дар бораи он фикр кунед: Дар давоми солҳои 90-ум ва аксари солҳои 00-ум, тақрибан дода мешуд, ки шумо бо компютер ё телефони худ тиҷорат мекунед, агар ҳар сол не, пас ҳар сол. Ин ба шумо имкон медиҳад, ки бо ҳама нармафзор ва замимаҳои нав, ки барои осонтар ва беҳтар кардани ҳаёти хонагӣ ва кори шумо бароварда мешаванд, огоҳ шавед. Дар ин рӯзҳо, шумо чанд вақт ба модели охирини мизи корӣ ё ноутбук дар бозор навсозӣ мекунед?

Вақте ки шумо дар бораи смартфони худ фикр мекунед, шумо дар ҷайбатон доред, он чизе ки ҳамагӣ 20 сол пеш суперкомпютер ҳисобида мешуд. Ба ғайр аз шикоятҳо дар бораи мӯҳлати батарея ва хотира, аксари телефонҳои аз соли 2016 харидашуда комилан қодиранд, ки ҳама гуна барнома ё бозии мобилиро иҷро кунанд, ҳама гуна видеои мусиқӣ ё сессияи файстаймингро бо SO-и худ пахш кунанд ё ҳама чизи дигареро, ки шумо мехоҳед дар телефони худ иҷро кунед. телефон. Оё шумо дар ҳақиқат лозим аст, ки ҳар сол 1,000 доллар ё бештар аз он сарф кунед, то ин корҳоро 10-15 фоиз беҳтар анҷом диҳед? Оё шумо ҳатто фарқиятро мушоҳида мекунед?

Барои аксари одамон, ҷавоб не аст.

Ояндаи Қонуни Мур

Дар гузашта бештари маблағгузории сармоягузорӣ ба технологияи нимноқилҳо аз ҳисоби хароҷоти мудофиаи ҳарбӣ сурат мегирифт. Пас аз он онро истеҳсолкунандагони электроникаи маишӣ иваз карданд ва то солҳои 2020-2023, сармоягузории пешбар ба рушди минбаъдаи микрочипҳо дубора иваз карда мешавад, ин дафъа аз соҳаҳои тахассусии зерин:

Мундариҷаи насли оянда. Ҷорисозии ояндаи дастгоҳҳои голографӣ, виртуалӣ ва афзояндаи воқеият барои ҷомеа талаботи бештарро ба ҷараёни додаҳо афзоиш медиҳад, бахусус вақте ки ин технологияҳо дар охири солҳои 2020 ба камол мерасанд ва маъруфият мекунанд.
Компютери болоӣ. Дар қисми навбатии ин силсила шарҳ дода шудааст.
Нақлиётҳои автономӣ. Дар мо муфассал шарҳ дода шудааст Ояндаи нақлиёт силсилаи.
Интернет чизҳо. Дар мо шарҳ дода шудааст Интернети чизҳо боби мо Ояндаи интернет силсилаи.
Маълумоти калон ва таҳлил. Ташкилотҳое, ки ба таври мунтазам кофтукови маълумотро талаб мекунанд - фикр мекунанд, ки низомиён, иктишофи кайҳон, пешгӯиҳои обу ҳаво, дорусозӣ, логистика ва ғайра - минбаъд низ компютерҳои пурқувватро барои таҳлили маҷмӯи васеъшавандаи маълумоти ҷамъоваришуда талаб мекунанд.

Маблағгузории R&D ба микрочипҳои насли оянда ҳамеша вуҷуд хоҳад дошт, аммо савол ин аст, ки оё сатҳи маблағгузорӣ барои шаклҳои мураккабтари микропросессорҳо метавонад ба талаботи афзоиши Қонуни Мур мувофиқат кунад. Бо дарназардошти арзиши гузариш ба шаклҳои нави микрочипҳо, дар якҷоягӣ бо суст шудани талаботи истеъмолӣ, буҷети ояндаи буҷети давлатӣ ва таназзулҳои иқтисодӣ, эҳтимолияти он вуҷуд дорад, ки Қонуни Мур дар аввали солҳои 2020, пеш аз он ки дер боз барқарор шавад, суст ё қатъ карда шавад. 2020, аввали солҳои 2030.

Дар мавриди он, ки чаро Қонуни Мур боз суръатро афзоиш медиҳад, хуб, биёед бигӯем, ки микрочипҳои турбоидор ягона инқилобе нестанд, ки дар лӯлаи компютерӣ ба поён меоянд. Дар оянда дар силсилаи Ояндаи компютерҳо мо тамоюлҳоеро меомӯзем, ки афзоиши роёниши абриро афзоиш медиҳанд.