Quantumrun

CREDIT NG LARAWAN: Quantumrun

Isang kumukupas na Batas ni Moore upang mapukaw ang pangunahing pag-iisip na muli ng mga microchip: Hinaharap ng Mga Kompyuter P4

David Tal, Publisher, Futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Martes, 09/15/2020 - 15:39

Mga computer—masyadong malaking bagay ang mga ito. Ngunit para talagang pahalagahan ang mga umuusbong na uso na ipinahiwatig namin sa ngayon sa aming serye ng Future of Computers, kailangan din naming maunawaan ang mga rebolusyong sprinting pababa sa computational pipeline, o simpleng: ang hinaharap ng mga microchip.

Upang maalis ang mga pangunahing kaalaman, kailangan nating maunawaan ang Batas ni Moore, ang sikat na ngayon na batas na itinatag ni Dr. Gordon E. Moore noong 1965. Sa esensya, ang natanto ni Moore noong mga dekada na ang nakalipas ay ang bilang ng mga transistor sa isang integrated circuit ay doble. tuwing 18 hanggang 24 na buwan. Ito ang dahilan kung bakit ang parehong computer na binili mo ngayon sa halagang $1,000 ay magkakahalaga sa iyo ng $500 dalawang taon mula ngayon.

Sa loob ng mahigit limampung taon, tinupad ng industriya ng semiconductor ang pinagsasama-samang trendline ng batas na ito, na nagbibigay daan para sa mga bagong operating system, video game, streaming video, mobile app, at bawat iba pang digital na teknolohiya na tumukoy sa ating modernong kultura. Ngunit habang ang pangangailangan para sa paglago na ito ay tila mananatiling matatag sa loob ng isa pang kalahating siglo, ang silikon—ang materyal na pundasyon na ginawa ng lahat ng modernong microchip—ay hindi lumilitaw na matutugunan nito ang demand na iyon nang mas matagal na lumipas noong 2021—ayon sa huling ulat mula sa International Technology Roadmap para sa Semiconductor (ITRS)

Talagang pisika ito: ang industriya ng semiconductor ay lumiliit ng mga transistor sa atomic scale, ang isang sukat na silikon ay malapit nang hindi angkop para sa. At habang mas sinusubukan ng industriyang ito na paliitin ang silicon na lampas sa pinakamainam na limitasyon nito, magiging mas mahal ang bawat microchip evolution.

Dito tayo ngayon. Sa ilang taon, hindi na magiging cost-effective na materyal ang silicon para bumuo ng susunod na henerasyon ng mga cutting-edge microchip. Pipilitin ng limitasyong ito ang isang rebolusyon sa electronics sa pamamagitan ng pagpilit sa industriya ng semiconductor (at lipunan) na pumili sa pagitan ng ilang opsyon:

Ang unang opsyon ay pabagalin, o tapusin, ang magastos na pag-unlad upang higit pang gawing maliit ang silicon, pabor sa paghahanap ng mga bagong paraan upang magdisenyo ng mga microchip na bumubuo ng mas maraming kapangyarihan sa pagproseso nang walang karagdagang miniaturization.
Pangalawa, maghanap ng mga bagong materyales na maaaring manipulahin sa mas maliliit na kaliskis kaysa sa silicon upang ilagay ang mas maraming transistor sa mas siksik na microchip.
Pangatlo, sa halip na tumuon sa miniaturization o mga pagpapahusay sa paggamit ng kuryente, muling tumuon sa bilis ng pagproseso sa pamamagitan ng paggawa ng mga processor na dalubhasa para sa mga partikular na kaso ng paggamit. Ito ay maaaring mangahulugan sa halip na magkaroon ng isang generalist chip, ang mga hinaharap na computer ay maaaring magkaroon ng isang kumpol ng mga specialist chip. Kasama sa mga halimbawa ang mga graphics chip na ginagamit upang mapahusay ang mga video game Panimula ng Google ng Tensor Processing Unit (TPU) chip na dalubhasa sa mga application ng machine learning.
Panghuli, magdisenyo ng bagong software at cloud infrastructure na maaaring gumana nang mas mabilis at mas mahusay nang hindi nangangailangan ng mas siksik/mas maliit na microchip.

Aling opsyon ang pipiliin ng aming tech industry? Sa totoo lang: lahat sila.

Ang lifeline para sa Batas ni Moore

Ang sumusunod na listahan ay isang maikling sulyap sa malapit at pangmatagalang inobasyon na mga kakumpitensya sa loob ng industriya ng semiconductor na gagamitin upang panatilihing buhay ang Batas ni Moore. Ang bahaging ito ay medyo siksik, ngunit susubukan naming panatilihin itong nababasa.

nanomaterials. Ang mga nangungunang kumpanya ng semiconductor, tulad ng Intel, ay inihayag na nila maghulog ng silikon sa sandaling maabot nila ang miniaturization scale na pitong nanometer (7nm). Kasama sa mga kandidatong papalitan ng silicon ang indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), at silicon-germanium (SiGe) ngunit ang materyal na higit na nakakakuha ng kagalakan ay lumilitaw na mga carbon nanotube. Ginawa mula sa graphite—ang mismong isang composite stack ng wonder material, graphene—carbon nanotubes ay maaaring gawing atoms na makapal, ay sobrang conductive, at tinatantya na gagawa ng mga microchip sa hinaharap hanggang sa limang beses na mas mabilis sa 2020.

Optical computing. Ang isa sa mga pinakamalaking hamon sa pagdidisenyo ng mga chips ay ang pagtiyak na ang mga electron ay hindi lumalaktaw mula sa isang transistor patungo sa isa pa—isang pagsasaalang-alang na lalong nagiging mahirap kapag nakapasok ka sa atomic level. Ang umuusbong na teknolohiya ng optical computing ay mukhang pinapalitan ang mga electron ng mga photon, kung saan ang liwanag (hindi koryente) ay naipapasa mula sa transistor patungo sa transistor. sa 2017, ang mga mananaliksik ay gumawa ng malaking hakbang patungo sa layuning ito sa pamamagitan ng pagpapakita ng kakayahang mag-imbak ng impormasyon na nakabatay sa liwanag (photon) bilang mga sound wave sa isang computer chip. Gamit ang diskarteng ito, maaaring gumana ang mga microchip malapit sa bilis ng liwanag sa 2025.

Spintronics. Sa paglipas ng dalawang dekada sa pag-unlad, sinubukan ng mga spintronic transistors na gamitin ang 'spin' ng isang electron sa halip na ang singil nito upang kumatawan sa impormasyon. Habang malayo pa mula sa komersyalisasyon, kung malulutas, ang form na ito ng transistor ay mangangailangan lamang ng 10-20 millivolts upang gumana, daan-daang beses na mas maliit kaysa sa mga karaniwang transistor; aalisin din nito ang mga isyu sa sobrang pag-init na kinakaharap ng mga kumpanya ng semiconductor kapag gumagawa ng mas maliliit na chip.

Neuromorphic computing at memristors. Ang isa pang nobelang diskarte sa paglutas sa nagbabantang krisis sa pagproseso na ito ay nasa utak ng tao. Ang mga mananaliksik sa IBM at DARPA, sa partikular, ay nangunguna sa pagbuo ng isang bagong uri ng microchip—isang chip na ang mga integrated circuit ay idinisenyo upang gayahin ang mas desentralisado at hindi linear na diskarte ng utak sa pag-compute. (Tingnan mo ito Artikulo ng ScienceBlogs upang mas maunawaan ang mga pagkakaiba sa pagitan ng utak ng tao at mga computer.) Ang mga naunang resulta ay nagpapahiwatig na ang mga chips na gayahin ang utak ay hindi lamang makabuluhang mas mahusay, ngunit gumagana ang mga ito gamit ang hindi kapani-paniwalang mas kaunting wattage kaysa sa kasalukuyang mga microchip.

Gamit ang parehong diskarte sa pagmomodelo ng utak, ang mismong transistor, ang kasabihang gusali ng microchip ng iyong computer, ay maaaring mapalitan ng memristor. Sa pagsisimula sa panahon ng "ionics", ang isang memristor ay nag-aalok ng ilang kawili-wiling mga pakinabang sa tradisyonal na transistor:

Una, maaalala ng memristor ang daloy ng elektron na dumadaan sa kanila—kahit naputol ang kuryente. Isinalin, nangangahulugan ito na isang araw ay maaari mong i-on ang iyong computer sa parehong bilis ng iyong bumbilya.
Ang mga transistor ay binary, alinman sa 1s o 0s. Samantala, ang mga memristor, ay maaaring magkaroon ng iba't ibang estado sa pagitan ng mga sukdulang iyon, tulad ng 0.25, 0.5, 0.747, atbp. Dahil dito, gumagana ang mga memristor na katulad ng mga synapses sa ating utak, at malaking bagay iyon dahil maaari itong magbukas ng hanay ng hinaharap na pag-compute mga posibilidad.
Susunod, hindi kailangan ng mga memristor ang silicon upang gumana, na nagbubukas ng landas para sa industriya ng semiconductor upang mag-eksperimento sa paggamit ng mga bagong materyales upang higit pang gawing maliit ang mga microchip (tulad ng nakabalangkas kanina).
Sa wakas, katulad ng mga natuklasan ng IBM at DARPA sa neuromorphic computing, ang mga microchip na batay sa memristors ay mas mabilis, gumagamit ng mas kaunting enerhiya, at maaaring magkaroon ng mas mataas na density ng impormasyon kaysa sa mga chips na kasalukuyang nasa merkado.

3D chips. Ang mga tradisyunal na microchip at ang mga transistor na nagpapagana sa kanila ay nagpapatakbo sa isang flat, two-dimensional na eroplano, ngunit noong unang bahagi ng 2010s, nagsimulang mag-eksperimento ang mga kumpanya ng semiconductor sa pagdaragdag ng ikatlong dimensyon sa kanilang mga chip. Tinatawag na 'finFET', ang mga bagong transistor na ito ay may channel na dumidikit mula sa ibabaw ng chip, na nagbibigay sa kanila ng mas mahusay na kontrol sa kung ano ang nangyayari sa kanilang mga channel, na nagpapahintulot sa kanila na tumakbo nang halos 40 porsiyento nang mas mabilis, at gumana gamit ang kalahati ng enerhiya. Ang downside, gayunpaman, ay ang mga chips na ito ay higit na mahirap (magastos) na gawin sa ngayon.

Ngunit lampas sa muling pagdidisenyo ng mga indibidwal na transistors, hinaharap 3D chips layunin din na pagsamahin ang computing at imbakan ng data sa mga patayong nakasalansan na mga layer. Sa ngayon, ang mga tradisyonal na computer ay nagtataglay ng kanilang mga memory stick na sentimetro mula sa processor nito. Ngunit sa pamamagitan ng pagsasama ng mga bahagi ng memorya at pagproseso, bumababa ang distansyang ito mula sa sentimetro hanggang micrometres, na nagbibigay-daan sa isang malaking pagpapabuti sa bilis ng pagproseso at pagkonsumo ng enerhiya.

Pag-compute ng dami. Sa karagdagang pagtingin sa hinaharap, isang malaking bahagi ng enterprise level computing ang maaaring gumana sa ilalim ng mga kakatwang batas ng quantum physics. Gayunpaman, dahil sa kahalagahan ng ganitong uri ng computing, binigyan namin ito ng sarili nitong kabanata sa pinakadulo ng seryeng ito.

Ang mga super microchips ay hindi magandang negosyo

Okay, kaya lahat ng nabasa mo sa itaas ay mabuti at mabuti—pinag-uusapan natin ang mga ultra-energy-efficient na microchip na itinulad sa utak ng tao na maaaring tumakbo sa bilis ng liwanag—ngunit ang bagay ay, ang industriya ng paggawa ng semiconductor chip ay hindi labis na sabik na gawing realidad ang paggawa ng mga konseptong ito.

Ang mga higanteng tech, tulad ng Intel, Samsung, at AMD, ay namuhunan na ng bilyun-bilyong dolyar sa loob ng mga dekada upang makabuo ng tradisyonal, na nakabatay sa silicon na mga microchip. Ang paglipat sa alinman sa mga nobelang konsepto na nabanggit sa itaas ay mangangahulugan ng pagbasura sa mga pamumuhunan na iyon at paggastos ng bilyun-bilyong higit pa sa pagtatayo ng mga bagong pabrika upang mass-produce ang mga bagong modelo ng microchip na may track record ng benta na zero.

Hindi lang ang pamumuhunan sa oras at pera ang pumipigil sa mga kumpanyang ito ng semiconductor. Ang pangangailangan ng mamimili para sa mas malakas na microchip ay humihina din. Pag-isipan ito: Sa panahon ng 90s at karamihan sa 00s, halos isang ibinigay na ipagpapalit mo ang iyong computer o telepono, kung hindi bawat taon, pagkatapos bawat iba pang taon. Ito ay magbibigay-daan sa iyong makasabay sa lahat ng bagong software at application na lalabas upang gawing mas madali at mas mahusay ang iyong buhay sa bahay at trabaho. Sa mga araw na ito, gaano ka kadalas nag-a-upgrade sa pinakabagong modelo ng desktop o laptop sa merkado?

Kapag iniisip mo ang iyong smartphone, nasa iyong bulsa ang maituturing na supercomputer 20 taon lang ang nakalipas. Bukod sa mga reklamo tungkol sa tagal ng baterya at memorya, karamihan sa mga teleponong binili mula noong 2016 ay ganap na may kakayahang magpatakbo ng anumang app o mobile na laro, ng pag-stream ng anumang music video o naughty facetiming session sa iyong SO, o karamihan sa anumang bagay na gusto mong gawin sa iyong telepono. Kailangan mo ba talagang gumastos ng $1,000 o higit pa bawat taon para magawa ang mga bagay na ito nang 10-15 porsiyentong mas mahusay? Mapapansin mo ba ang pagkakaiba?

Para sa karamihan ng mga tao, ang sagot ay hindi.

Ang kinabukasan ng Batas ni Moore

Noong nakaraan, ang karamihan sa pagpopondo sa pamumuhunan sa semiconductor tech ay nagmula sa paggasta sa pagtatanggol ng militar. Pagkatapos ay pinalitan ito ng mga tagagawa ng consumer electronics, at pagsapit ng 2020-2023, ang nangungunang pamumuhunan sa karagdagang pag-unlad ng microchip ay lilipat muli, sa pagkakataong ito mula sa mga industriyang dalubhasa sa mga sumusunod:

Next-Gen na nilalaman. Ang paparating na pagpapakilala ng holographic, virtual at augmented reality na mga device sa pangkalahatang publiko ay mag-uudyok ng mas malaking pangangailangan para sa streaming ng data, lalo na't ang mga teknolohiyang ito ay tumatanda at nagiging popular sa huling bahagi ng 2020s.
Cloud computing. Ipinaliwanag sa susunod na bahagi ng seryeng ito.
Mga awtomatikong sasakyan. Ipinaliwanag nang lubusan sa aming Kinabukasan ng Transportasyon serye.
Internet ng mga bagay. Ipinaliwanag sa aming Internet ng mga bagay kabanata sa ating Kinabukasan ng Internet serye.
Malaking data at analytics. Ang mga organisasyong nangangailangan ng regular na data crunching—isipin ang militar, paggalugad sa kalawakan, weather forecaster, pharmaceuticals, logistics, atbp—ay patuloy na hihingi ng mas makapangyarihang mga computer upang suriin ang kanilang patuloy na lumalawak na mga hanay ng nakolektang data.

Ang pagpopondo para sa R&D sa mga susunod na henerasyong microchip ay palaging iiral, ngunit ang tanong ay kung ang antas ng pagpopondo na kailangan para sa mas kumplikadong mga anyo ng microprocessors ay makakasabay sa mga hinihingi ng paglago ng Batas ni Moore. Dahil sa gastos ng paglipat sa at pagkomersyal ng mga bagong anyo ng microchips, kasama ang pagbagal ng demand ng mga mamimili, mga krisis sa badyet ng gobyerno sa hinaharap at mga pag-urong sa ekonomiya, malamang na ang Batas ni Moore ay bumagal o huminto sandali sa unang bahagi ng 2020s, bago bawiin sa huli. 2020s, unang bahagi ng 2030s.

Kung bakit ang Moore's Law ay tataas muli ng bilis, mabuti, sabihin na lang natin na ang turbo-powered microchips ay hindi lamang ang rebolusyon na darating sa pipeline ng computing. Susunod sa aming serye ng Future of Computers, tutuklasin namin ang mga trend na nagpapasigla sa paglago ng cloud computing.