مائیکرو چپس کے بارے میں بنیادی نظر ثانی کو جنم دینے کے لیے ایک معدوم ہوتا ہوا مور کا قانون: کمپیوٹرز P4 کا مستقبل

کمپیوٹرز - وہ ایک قسم کا بڑا سودا ہیں۔ لیکن ان ابھرتے ہوئے رجحانات کی واقعی تعریف کرنے کے لیے جو ہم نے اپنے فیوچر آف کمپیوٹرز سیریز میں اب تک اشارہ کیا ہے، ہمیں کمپیوٹیشنل پائپ لائن کے نیچے آنے والے انقلابات کو بھی سمجھنے کی ضرورت ہے، یا محض: مائیکرو چپس کا مستقبل۔

بنیادی باتوں کو دور کرنے کے لیے، ہمیں مور کے قانون کو سمجھنا ہوگا، جو اب مشہور قانون ڈاکٹر گورڈن ای مور نے 1965 میں قائم کیا تھا۔ بنیادی طور پر، مور کو ان تمام دہائیوں پہلے جس چیز کا احساس ہوا وہ یہ ہے کہ ایک مربوط سرکٹ میں ٹرانزسٹروں کی تعداد دوگنی ہو جاتی ہے۔ ہر 18 سے 24 ماہ. یہی وجہ ہے کہ آج آپ جو کمپیوٹر $1,000 میں خریدتے ہیں اب سے دو سال بعد آپ کی قیمت $500 ہوگی۔

پچاس سالوں سے، سیمی کنڈکٹر انڈسٹری اس قانون کے کمپاؤنڈنگ ٹرینڈ لائن پر قائم رہی ہے، جس نے نئے آپریٹنگ سسٹمز، ویڈیو گیمز، سٹریمنگ ویڈیو، موبائل ایپس، اور ہر دوسری ڈیجیٹل ٹیکنالوجی کے لیے راہ ہموار کی ہے جس نے ہماری جدید ثقافت کی تعریف کی ہے۔ لیکن جب کہ اس نمو کی طلب بظاہر ایسا لگتا ہے کہ یہ مزید نصف صدی تک مستحکم رہے گی، سلیکون — جس کے ساتھ تمام جدید مائیکرو چپس بنائے گئے ہیں — ایسا نہیں لگتا کہ یہ 2021 کے طویل عرصے کے لیے اس مطالبے کو پورا کرے گا — کے مطابق کی طرف سے آخری رپورٹ بین الاقوامی ٹیکنالوجی روڈ میپ برائے سیمی کنڈکٹرز (ITRS)

یہ واقعی فزکس ہے: سیمی کنڈکٹر انڈسٹری ٹرانزسٹروں کو ایٹم سکیل پر سکڑ رہی ہے، ایک سکیل سلکان جلد ہی اس کے لیے نا مناسب ہو گا۔ اور یہ صنعت جتنی زیادہ سلیکون کو اپنی بہترین حدود سے زیادہ سکڑنے کی کوشش کرے گی، ہر مائیکروچپ ارتقاء اتنا ہی مہنگا ہوتا جائے گا۔

یہ وہ جگہ ہے جہاں ہم آج ہیں۔ چند سالوں میں، سلکان اب جدید مائیکرو چپس کی اگلی نسل بنانے کے لیے ایک سستا مواد نہیں رہے گا۔ یہ حد سیمی کنڈکٹر انڈسٹری (اور معاشرے) کو چند اختیارات میں سے انتخاب کرنے پر مجبور کر کے الیکٹرانکس میں ایک انقلاب کو مجبور کرے گی:

• پہلا آپشن مائیکرو چپس کو ڈیزائن کرنے کے نئے طریقے تلاش کرنے کے حق میں سلیکون کو مزید چھوٹا کرنے کے لیے مہنگی ترقی کو سست، یا ختم کرنا ہے جو اضافی چھوٹے بنانے کے بغیر زیادہ پروسیسنگ پاور پیدا کرتے ہیں۔

• دوسرا، نئے مواد تلاش کریں جو سلیکون سے کہیں زیادہ چھوٹے پیمانے پر ہیرا پھیری کر سکتے ہیں تاکہ زیادہ تعداد میں ٹرانجسٹروں کو بھی گھنے مائیکرو چپس میں بھر سکیں۔

• تیسرا، منیٹورائزیشن یا بجلی کے استعمال میں بہتری پر توجہ مرکوز کرنے کے بجائے، ایسے پروسیسر بنانے کے ذریعے پروسیسنگ کی رفتار پر توجہ مرکوز کریں جو مخصوص استعمال کے معاملات کے لیے خصوصی ہوں۔ اس کا مطلب یہ ہو سکتا ہے کہ ایک جنرلسٹ چپ رکھنے کے بجائے، مستقبل کے کمپیوٹرز میں ماہر چپس کا ایک جھرمٹ ہو سکتا ہے۔ مثالوں میں ویڈیو گیمز کو بہتر بنانے کے لیے استعمال ہونے والی گرافکس چپس شامل ہیں۔ گوگل کا تعارف ٹینسر پروسیسنگ یونٹ (TPU) چپ جو مشین لرننگ ایپلی کیشنز میں مہارت رکھتی ہے۔

• آخر میں، نئے سافٹ ویئر اور کلاؤڈ انفراسٹرکچر کو ڈیزائن کریں جو زیادہ تیز اور زیادہ مؤثر طریقے سے کام کر سکے بغیر گھنے/چھوٹے مائکروچپس کی ضرورت کے۔

ہماری ٹیک انڈسٹری کون سا آپشن منتخب کرے گی؟ حقیقت پسندانہ: وہ سب۔

مور کے قانون کے لیے لائف لائن

مندرجہ ذیل فہرست سیمی کنڈکٹر انڈسٹری میں قریبی اور طویل مدتی اختراعات کی ایک مختصر جھلک ہے جو مور کے قانون کو زندہ رکھنے کے لیے استعمال کریں گے۔ یہ حصہ تھوڑا سا گھنا ہے، لیکن ہم اسے پڑھنے کے قابل رکھنے کی کوشش کریں گے۔

Nanomaterials. معروف سیمی کنڈکٹر کمپنیاں، جیسے انٹیل، پہلے ہی اعلان کر چکی ہیں کہ وہ کریں گے۔ سلکان ڈراپ ایک بار جب وہ سات نینو میٹر (7nm) کے چھوٹے پیمانے پر پہنچ جاتے ہیں۔ سلیکان کی جگہ لینے والے امیدواروں میں انڈیم اینٹیمونائڈ (InSb)، انڈیم گیلیم آرسنائیڈ (InGaAs)، اور سلکان-جرمینیم (SiGe) شامل ہیں لیکن جو مواد سب سے زیادہ جوش و خروش حاصل کر رہا ہے وہ کاربن نانوٹوبز لگتا ہے۔ گریفائٹ سے بنایا گیا ہے - جو خود حیرت انگیز مواد کا ایک جامع اسٹیک ہے، گرافین - کاربن نانوٹوبس کو ایٹموں کو موٹا بنایا جا سکتا ہے، انتہائی کنڈکٹیو ہیں، اور 2020 تک مستقبل کے مائیکرو چپس کو پانچ گنا تیز کرنے کا اندازہ لگایا گیا ہے۔

آپٹیکل کمپیوٹنگ. چپس کو ڈیزائن کرنے کے ارد گرد ایک سب سے بڑا چیلنج اس بات کو یقینی بنانا ہے کہ الیکٹران ایک ٹرانجسٹر سے دوسرے ٹرانزسٹر پر نہ جائیں — ایک غور جو کہ ایک بار جوہری سطح میں داخل ہونے کے بعد لامتناہی طور پر مشکل ہو جاتا ہے۔ آپٹیکل کمپیوٹنگ کی ابھرتی ہوئی ٹیک الیکٹرانوں کو فوٹون سے بدلتی نظر آتی ہے، جس کے تحت روشنی (بجلی نہیں) ٹرانجسٹر سے ٹرانزسٹر تک جاتی ہے۔ 2017 میں، محققین نے کمپیوٹر چپ پر روشنی پر مبنی معلومات (فوٹونز) کو آواز کی لہروں کے طور پر ذخیرہ کرنے کی صلاحیت کا مظاہرہ کرتے ہوئے اس مقصد کی طرف ایک بڑا قدم اٹھایا۔ اس نقطہ نظر کو استعمال کرتے ہوئے، مائیکرو چپس 2025 تک روشنی کی رفتار کے قریب کام کر سکتی ہیں۔

اسپنٹرونکس. ترقی میں دو دہائیوں سے زیادہ، اسپنٹرونک ٹرانزسٹر معلومات کی نمائندگی کے لیے الیکٹران کے چارج کے بجائے 'اسپن' کو استعمال کرنے کی کوشش کرتے ہیں۔ تجارتی کاری سے ابھی بہت دور ہے، اگر حل ہو جائے تو، ٹرانزسٹر کی اس شکل کو چلانے کے لیے صرف 10-20 ملی وولٹ کی ضرورت ہوگی، جو روایتی ٹرانجسٹروں سے سینکڑوں گنا چھوٹے ہیں۔ اس سے سیمی کنڈکٹر کمپنیوں کو چھوٹی چپس تیار کرتے وقت زیادہ گرمی کے مسائل بھی دور ہو جائیں گے۔

نیورومورفک کمپیوٹنگ اور یادگار. اس بڑھتے ہوئے پروسیسنگ بحران کو حل کرنے کا ایک اور نیا طریقہ انسانی دماغ میں ہے۔ IBM اور DARPA کے محققین، خاص طور پر، ایک نئی قسم کی مائیکرو چِپ کی ترقی کی رہنمائی کر رہے ہیں — ایک ایسی چپ جس کے مربوط سرکٹس کو کمپیوٹنگ کے لیے دماغ کے زیادہ وکندریقرت اور غیر خطی نقطہ نظر کی نقل کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ (یہ چیک کریں۔ سائنس بلاگز مضمون انسانی دماغ اور کمپیوٹر کے درمیان فرق کو بہتر طور پر سمجھنے کے لیے۔) ابتدائی نتائج بتاتے ہیں کہ دماغ کی نقل کرنے والے چپس نہ صرف نمایاں طور پر زیادہ کارآمد ہیں بلکہ وہ موجودہ دور کے مائیکرو چپس کے مقابلے میں ناقابل یقین حد تک کم واٹ استعمال کرتے ہوئے کام کرتے ہیں۔

اسی دماغی ماڈلنگ اپروچ کو استعمال کرتے ہوئے، خود ٹرانجسٹر، جو آپ کے کمپیوٹر کی مائیکرو چِپ کا محاورہ بلڈنگ بلاک ہے، جلد ہی میمریسٹر سے تبدیل ہو سکتا ہے۔ "آئنکس" دور میں آغاز کرتے ہوئے، ایک یادگار روایتی ٹرانجسٹر کے مقابلے میں بہت سے دلچسپ فوائد پیش کرتا ہے:

• سب سے پہلے، یاد رکھنے والے الیکٹران کے بہاؤ کو یاد رکھ سکتے ہیں جو ان میں سے گزرتا ہے- چاہے بجلی کٹ جائے۔ ترجمہ، اس کا مطلب ہے کہ ایک دن آپ اپنے کمپیوٹر کو اپنے لائٹ بلب کی رفتار سے آن کر سکتے ہیں۔

• ٹرانزسٹر بائنری ہیں، یا تو 1s یا 0s۔ یادداشتوں کی، اس دوران، ان انتہاؤں کے درمیان مختلف حالتیں ہو سکتی ہیں، جیسے 0.25، 0.5، 0.747، وغیرہ۔ اس سے یادداشت کرنے والے ہمارے دماغوں میں Synapses کی طرح کام کرتے ہیں، اور یہ ایک بڑی بات ہے کیونکہ یہ مستقبل میں کمپیوٹنگ کی ایک حد کھول سکتا ہے۔ امکانات.

• اس کے بعد، یادداشت کرنے والوں کو کام کرنے کے لیے سلیکون کی ضرورت نہیں ہوتی ہے، جس سے سیمی کنڈکٹر انڈسٹری کے لیے نئے مواد کے استعمال کے لیے مائیکرو چپس کو مزید چھوٹا کرنے کے لیے تجربہ کرنے کا راستہ کھل جاتا ہے (جیسا کہ پہلے بتایا گیا ہے)۔

• آخر میں، نیورومورفک کمپیوٹنگ میں IBM اور DARPA کی طرف سے کئے گئے نتائج کی طرح، یادداشتوں پر مبنی مائیکرو چپس تیز ہوتی ہیں، کم توانائی استعمال کرتی ہیں، اور اس وقت مارکیٹ میں موجود چپس سے زیادہ معلوماتی کثافت رکھتی ہیں۔

3D چپس. روایتی مائیکرو چپس اور ٹرانزسٹر جو انہیں طاقت دیتے ہیں وہ ایک فلیٹ، دو جہتی جہاز پر کام کرتے ہیں، لیکن 2010 کی دہائی کے اوائل میں، سیمی کنڈکٹر کمپنیوں نے اپنے چپس میں تیسری جہت شامل کرنے کا تجربہ کرنا شروع کیا۔ 'finFET' کہلانے والے، ان نئے ٹرانزسٹروں کے پاس ایک چینل ہے جو چپ کی سطح سے چپک جاتا ہے، جو انہیں اپنے چینلز میں ہونے والی چیزوں پر بہتر کنٹرول فراہم کرتا ہے، جس سے وہ تقریباً 40 فیصد تیزی سے چل سکتے ہیں، اور نصف توانائی کا استعمال کرتے ہوئے کام کرتے ہیں۔ تاہم، منفی پہلو یہ ہے کہ یہ چپس اس وقت پیدا کرنے میں نمایاں طور پر زیادہ مشکل (مہنگی) ہیں۔

لیکن انفرادی ٹرانجسٹروں کو دوبارہ ڈیزائن کرنے سے آگے، مستقبل 3D چپس عمودی طور پر اسٹیک شدہ تہوں میں کمپیوٹنگ اور ڈیٹا اسٹوریج کو یکجا کرنے کا بھی مقصد ہے۔ فی الوقت، روایتی کمپیوٹرز اپنے پروسیسر سے سینٹی میٹر کے فاصلے پر میموری اسٹک رکھتے ہیں۔ لیکن میموری اور پروسیسنگ کے اجزاء کو مربوط کرنے سے، یہ فاصلہ سینٹی میٹر سے مائیکرو میٹر تک گر جاتا ہے، جس سے پروسیسنگ کی رفتار اور توانائی کی کھپت میں زبردست بہتری آتی ہے۔

کوانٹم کمپیوٹنگ. مستقبل کو مزید دیکھتے ہوئے، انٹرپرائز لیول کمپیوٹنگ کا ایک بڑا حصہ کوانٹم فزکس کے عجیب و غریب قوانین کے تحت کام کر سکتا ہے۔ تاہم اس قسم کی کمپیوٹنگ کی اہمیت کے پیش نظر ہم نے اس سیریز کے بالکل آخر میں اس کا اپنا ایک باب دیا ہے۔

سپر مائیکرو چپس اچھا کاروبار نہیں ہے۔

ٹھیک ہے، تو جو آپ نے اوپر پڑھا ہے وہ سب ٹھیک اور اچھا ہے — ہم انتہائی توانائی سے چلنے والے مائیکرو چپس کے بارے میں بات کر رہے ہیں جو انسانی دماغ کے بعد تیار کی گئی ہے جو روشنی کی رفتار سے چل سکتی ہے — لیکن بات یہ ہے کہ سیمی کنڈکٹر چپ بنانے کی صنعت نہیں ہے۔ ان تصورات کو بڑے پیمانے پر پیدا ہونے والی حقیقت میں تبدیل کرنے کے لیے بے حد بے چین۔

ٹیک جنات، جیسے انٹیل، سام سنگ، اور اے ایم ڈی، روایتی، سلیکون پر مبنی مائیکرو چپس تیار کرنے کے لیے کئی دہائیوں میں پہلے ہی اربوں ڈالر کی سرمایہ کاری کر چکے ہیں۔ اوپر بیان کیے گئے کسی بھی نئے تصور کی طرف منتقل ہونے کا مطلب یہ ہوگا کہ ان سرمایہ کاری کو ختم کر دیا جائے اور نئے مائیکرو چِپ ماڈلز کو بڑے پیمانے پر تیار کرنے کے لیے نئی فیکٹریوں کی تعمیر پر اربوں مزید خرچ کیے جائیں جن کا سیلز ٹریک ریکارڈ صفر ہے۔

یہ صرف وقت اور پیسے کی سرمایہ کاری نہیں ہے جو ان سیمی کنڈکٹر کمپنیوں کو پیچھے رکھے ہوئے ہے۔ پہلے سے زیادہ طاقتور مائیکرو چپس کی صارفین کی مانگ بھی ختم ہو رہی ہے۔ اس کے بارے میں سوچیں: 90 اور 00 کی دہائی کے بیشتر حصے کے دوران، یہ تقریباً دیا گیا تھا کہ آپ اپنے کمپیوٹر یا فون میں تجارت کریں گے، اگر ہر سال نہیں، تو ہر دوسرے سال۔ یہ آپ کو ان تمام نئے سافٹ ویئر اور ایپلیکیشنز سے باخبر رہنے دے گا جو آپ کے گھر اور کام کی زندگی کو آسان اور بہتر بنانے کے لیے سامنے آ رہے ہیں۔ ان دنوں، آپ مارکیٹ میں تازہ ترین ڈیسک ٹاپ یا لیپ ٹاپ ماڈل میں کتنی بار اپ گریڈ کرتے ہیں؟

جب آپ اپنے سمارٹ فون کے بارے میں سوچتے ہیں، تو آپ کی جیب میں وہ چیز ہوتی ہے جسے صرف 20 سال پہلے سپر کمپیوٹر سمجھا جاتا تھا۔ بیٹری کی زندگی اور میموری کے بارے میں شکایات کے علاوہ، 2016 کے بعد سے خریدے گئے زیادہ تر فونز کسی بھی ایپ یا موبائل گیم کو چلانے، کسی بھی میوزک ویڈیو کو چلانے یا آپ کے SO کے ساتھ شرارتی فیس ٹائمنگ سیشن، یا سب سے زیادہ کچھ بھی آپ اپنے فون پر کرنا چاہتے ہیں۔ فون. کیا آپ کو ان چیزوں کو 1,000-10 فیصد بہتر کرنے کے لیے ہر سال $15 یا اس سے زیادہ خرچ کرنے کی ضرورت ہے؟ کیا آپ بھی فرق محسوس کریں گے؟

زیادہ تر لوگوں کے لیے، جواب نہیں ہے۔

مور کے قانون کا مستقبل

ماضی میں، سیمی کنڈکٹر ٹیک میں زیادہ تر سرمایہ کاری فوجی دفاعی اخراجات سے آتی تھی۔ اس کے بعد اس کی جگہ کنزیومر الیکٹرانکس مینوفیکچررز نے لے لی، اور 2020-2023 تک، مزید مائیکرو چپ تیار کرنے میں اہم سرمایہ کاری دوبارہ منتقل ہو جائے گی، اس بار درج ذیل میں مہارت رکھنے والی صنعتوں سے:

• اگلی نسل کا مواد. عام لوگوں کے لیے ہولوگرافک، ورچوئل اور اگمینٹڈ رئیلٹی ڈیوائسز کا آنے والا تعارف ڈیٹا سٹریمنگ کی زیادہ مانگ کو فروغ دے گا، خاص طور پر جب یہ ٹیکنالوجیز پختہ ہو رہی ہیں اور 2020 کی دہائی کے آخر میں مقبولیت میں اضافہ کر رہی ہیں۔

• کلاؤڈ کمپیوٹنگ. اس سلسلے کے اگلے حصے میں وضاحت کی جائے گی۔

• خودمختار گاڑیاں. ہمارے میں اچھی طرح سے وضاحت کی نقل و حمل کا مستقبل سیریز.

• چیزوں کا انٹرنیٹ. ہماری میں وضاحت کی گئی ہے۔ چیزوں کے انٹرنیٹ ہمارے میں باب انٹرنیٹ کا مستقبل سیریز.

• بڑا ڈیٹا اور تجزیات. وہ تنظیمیں جنہیں باقاعدگی سے ڈیٹا کرنچنگ کی ضرورت ہوتی ہے—سوچتے ہیں کہ فوج، خلائی تحقیق، موسم کی پیشن گوئی کرنے والے، دواسازی، لاجسٹکس، وغیرہ — اپنے جمع کیے گئے ڈیٹا کے مسلسل پھیلتے ہوئے سیٹوں کا تجزیہ کرنے کے لیے تیزی سے طاقتور کمپیوٹرز کا مطالبہ کرتے رہیں گے۔

اگلی نسل کے مائیکرو چِپس میں R&D کے لیے فنڈنگ ​​ہمیشہ موجود رہے گی، لیکن سوال یہ ہے کہ کیا مائیکرو پروسیسرز کی زیادہ پیچیدہ شکلوں کے لیے درکار فنڈنگ ​​لیول مور کے قانون کی ترقی کے تقاضوں کو پورا کر سکتی ہے۔ مائیکرو چپس کی نئی شکلوں کو تبدیل کرنے اور تجارتی بنانے کی لاگت کو دیکھتے ہوئے، صارفین کی طلب میں کمی، مستقبل کے حکومتی بجٹ کے بحران اور معاشی کساد بازاری کے ساتھ، اس بات کے امکانات ہیں کہ مور کا قانون 2020 کی دہائی کے اوائل میں سست ہو جائے گا یا مختصر طور پر رک جائے گا، اس سے پہلے کہ دیر سے واپسی ہو جائے۔ 2020، ابتدائی 2030.

جہاں تک یہ ہے کہ مور کا قانون دوبارہ رفتار کیوں اٹھائے گا، ٹھیک ہے، ہم صرف یہ کہتے ہیں کہ ٹربو سے چلنے والی مائیکرو چپس واحد انقلاب نہیں ہیں جو کمپیوٹنگ پائپ لائن کے نیچے آ رہی ہیں۔ ہمارے مستقبل کے کمپیوٹرز کی سیریز میں آگے، ہم کلاؤڈ کمپیوٹنگ کی ترقی کو ہوا دینے والے رجحانات کو تلاش کریں گے۔

کمپیوٹر سیریز کا مستقبل

ابھرتے ہوئے صارف انٹرفیس انسانیت کی نئی تعریف کرنے کے لیے: کمپیوٹرز کا مستقبل P1

سافٹ ویئر کی ترقی کا مستقبل: کمپیوٹرز کا مستقبل P2

ڈیجیٹل اسٹوریج انقلاب: کمپیوٹرز P3 کا مستقبل

کلاؤڈ کمپیوٹنگ وکندریقرت بن جاتی ہے: کمپیوٹرز کا مستقبل P5

ممالک سب سے بڑے سپر کمپیوٹر بنانے کا مقابلہ کیوں کر رہے ہیں؟ کمپیوٹرز کا مستقبل P6

کوانٹم کمپیوٹرز دنیا کو کیسے بدلیں گے: کمپیوٹرز P7 کا مستقبل