Định luật Moore mờ dần để khơi mào cho những suy nghĩ cơ bản về vi mạch: Tương lai của Máy tính P4

Máy tính — chúng là một vấn đề lớn. Nhưng để thực sự đánh giá cao các xu hướng mới nổi mà chúng tôi đã gợi ý cho đến nay trong loạt bài Tương lai của Máy tính, chúng ta cũng cần hiểu các cuộc cách mạng đang chạy nhanh trên đường ống tính toán, hay đơn giản là: tương lai của vi mạch.

Để nắm bắt được những điều cơ bản, chúng ta phải hiểu Định luật Moore, định luật nổi tiếng hiện nay mà Tiến sĩ Gordon E. Moore đã sáng lập vào năm 1965. Về cơ bản, điều mà Moore nhận ra cách đây hàng thập kỷ là số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp tăng gấp đôi. 18 đến 24 tháng một lần. Đây là lý do tại sao cùng một máy tính bạn mua hôm nay với giá 1,000 đô la sẽ khiến bạn mất 500 đô la trong hai năm kể từ bây giờ.

Trong hơn năm mươi năm, ngành công nghiệp bán dẫn đã sống theo xu hướng kép của luật này, mở đường cho các hệ điều hành mới, trò chơi điện tử, video trực tuyến, ứng dụng dành cho thiết bị di động và mọi công nghệ kỹ thuật số khác đã xác định nền văn hóa hiện đại của chúng ta. Nhưng trong khi nhu cầu về sự tăng trưởng này dường như sẽ vẫn ổn định trong nửa thế kỷ nữa, silicon - vật liệu nền tảng mà tất cả các vi mạch hiện đại được chế tạo - có vẻ như sẽ không đáp ứng được nhu cầu đó lâu hơn nữa trôi qua năm 2021 - theo báo cáo cuối cùng từ Lộ trình công nghệ quốc tế cho chất bán dẫn (ITRS)

Đó thực sự là vật lý: ngành công nghiệp bán dẫn đang thu hẹp các bóng bán dẫn xuống quy mô nguyên tử, một loại silicon có quy mô sẽ sớm không còn phù hợp nữa. Và ngành công nghiệp này càng cố gắng thu nhỏ silicon vượt quá giới hạn tối ưu của nó, thì mỗi quá trình tiến hóa vi mạch sẽ càng trở nên đắt đỏ hơn.

Đây là nơi chúng ta đang ở ngày hôm nay. Trong một vài năm tới, silicon sẽ không còn là vật liệu tiết kiệm chi phí để xây dựng thế hệ vi mạch tiên tiến tiếp theo. Giới hạn này sẽ thúc đẩy một cuộc cách mạng trong lĩnh vực điện tử bằng cách buộc ngành công nghiệp bán dẫn (và xã hội) phải lựa chọn giữa một số phương án:

Lựa chọn đầu tiên là làm chậm hoặc kết thúc quá trình phát triển tốn kém để thu nhỏ silicon hơn nữa, có lợi cho việc tìm ra những cách mới để thiết kế vi mạch tạo ra nhiều năng lượng xử lý hơn mà không cần thu nhỏ thêm.

Thứ hai, tìm vật liệu mới có thể được chế tác ở quy mô nhỏ hơn nhiều so với silicon để nhồi số lượng bóng bán dẫn lớn hơn bao giờ hết vào các vi mạch dày đặc hơn nữa.

Thứ ba, thay vì tập trung vào cải tiến thu nhỏ hoặc sử dụng điện năng, hãy tập trung vào tốc độ xử lý thông qua việc tạo ra các bộ vi xử lý chuyên dụng cho các trường hợp sử dụng cụ thể. Điều này có nghĩa là thay vì có một con chip chung chung, các máy tính trong tương lai có thể có một nhóm chip chuyên dụng. Các ví dụ bao gồm chip đồ họa được sử dụng để cải thiện trò chơi điện tử để Giới thiệu của Google của chip Bộ xử lý căng (TPU) chuyên về các ứng dụng học máy.

Cuối cùng, thiết kế phần mềm và cơ sở hạ tầng đám mây mới có thể hoạt động nhanh hơn và hiệu quả hơn mà không cần mật độ vi mạch nhỏ hơn / dày hơn.

Ngành công nghệ của chúng ta sẽ chọn phương án nào? Thực tế: tất cả chúng.

Cứu cánh cho Định luật Moore Danh sách sau đây là một cái nhìn sơ lược về những đổi mới gần và dài hạn mà các đối thủ cạnh tranh trong ngành bán dẫn sẽ sử dụng để giữ cho Định luật Moore tồn tại. Phần này hơi dày đặc, nhưng chúng tôi sẽ cố gắng giữ cho nó có thể đọc được.

Vật liệu nano. Các công ty bán dẫn hàng đầu, như Intel, đã thông báo rằng họ sẽ thả silicon khi chúng đạt đến quy mô thu nhỏ bảy nanomet (7nm). Các ứng cử viên để thay thế silicon bao gồm indium antimonide (InSb), indium gallium arsenide (InGaAs), và silicon-germanium (SiGe) nhưng vật liệu nhận được nhiều sự phấn khích nhất dường như là ống nano carbon. Được làm từ than chì - bản thân nó là một khối phức hợp của vật liệu kỳ diệu, graphene - các ống nano carbon có thể tạo ra các nguyên tử dày, cực kỳ dẫn điện và được ước tính sẽ tạo ra các vi mạch trong tương lai nhanh hơn gấp 2020 lần vào năm XNUMX.

Điện toán quang học. Một trong những thách thức lớn nhất xung quanh việc thiết kế chip là đảm bảo rằng các điện tử không chuyển từ bóng bán dẫn này sang bóng bán dẫn khác — một việc xem xét khó khăn hơn vô cùng khi bạn bước vào cấp độ nguyên tử. Công nghệ điện toán quang học đang nổi lên sẽ thay thế các điện tử bằng các photon, theo đó ánh sáng (không phải điện) được truyền từ bóng bán dẫn sang bóng bán dẫn. trong 2017, các nhà nghiên cứu đã tiến một bước dài tới mục tiêu này khi chứng minh khả năng lưu trữ thông tin dựa trên ánh sáng (photon) dưới dạng sóng âm thanh trên chip máy tính. Sử dụng cách tiếp cận này, các vi mạch có thể hoạt động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng vào năm 2025.

Điện tử học. Hơn hai thập kỷ phát triển, bóng bán dẫn spintronic cố gắng sử dụng 'spin' của một electron thay vì điện tích của nó để biểu diễn thông tin. Tuy còn một chặng đường dài mới được thương mại hóa, nhưng nếu được giải quyết, dạng bóng bán dẫn này sẽ chỉ cần 10 - 20 milivôn để hoạt động, nhỏ hơn hàng trăm lần so với bóng bán dẫn thông thường; điều này cũng sẽ loại bỏ các vấn đề quá nhiệt mà các công ty bán dẫn gặp phải khi sản xuất chip nhỏ hơn bao giờ hết.

Tính toán cấu trúc thần kinh và bộ ghi nhớ. Một cách tiếp cận mới khác để giải quyết cuộc khủng hoảng xử lý đang tồn tại này nằm trong bộ não con người. Đặc biệt, các nhà nghiên cứu tại IBM và DARPA đang dẫn đầu việc phát triển một loại vi mạch mới — một loại chip có các mạch tích hợp được thiết kế để bắt chước cách tiếp cận máy tính phi tuyến tính và phi tập trung hơn của não bộ. (Kiểm tra cái này Bài báo trên ScienceBlogs để hiểu rõ hơn về sự khác biệt giữa não người và máy tính.) Các kết quả ban đầu chỉ ra rằng các chip bắt chước não không chỉ hiệu quả hơn đáng kể mà còn hoạt động bằng cách sử dụng công suất thấp hơn đáng kinh ngạc so với các vi mạch ngày nay.

Sử dụng phương pháp mô hình hóa não tương tự này, bản thân bóng bán dẫn, khối xây dựng phương ngôn của bộ vi mạch máy tính của bạn, có thể sớm được thay thế bằng bộ nhớ. Mở ra kỷ nguyên "ion", một memristor cung cấp một số ưu điểm thú vị so với bóng bán dẫn truyền thống:

Đầu tiên, các memristor có thể nhớ dòng electron đi qua chúng — ngay cả khi nguồn điện bị cắt. Tạm dịch, điều này có nghĩa là một ngày nào đó bạn có thể bật máy tính của mình với tốc độ tương đương với bóng đèn.

Các bóng bán dẫn là dạng nhị phân, 1s hoặc 0s. Trong khi đó, các bộ nhớ có thể có nhiều trạng thái khác nhau giữa các thái cực đó, như 0.25, 0.5, 0.747, v.v. Điều này làm cho các bộ nhớ hoạt động tương tự như các khớp thần kinh trong não của chúng ta, và đó là một vấn đề lớn vì nó có thể mở ra một loạt các máy tính trong tương lai khả năng.

Tiếp theo, các memristor không cần silicon để hoạt động, mở ra con đường cho ngành công nghiệp bán dẫn thử nghiệm sử dụng các vật liệu mới để thu nhỏ hơn nữa các vi mạch (như đã trình bày trước đó).

Cuối cùng, tương tự như phát hiện của IBM và DARPA về tính toán thần kinh đa hình, các vi mạch dựa trên bộ nhớ nhanh hơn, sử dụng ít năng lượng hơn và có thể chứa mật độ thông tin cao hơn so với các chip hiện có trên thị trường.

Chip 3D. Các vi mạch truyền thống và các bóng bán dẫn cung cấp năng lượng cho chúng hoạt động trên một mặt phẳng hai chiều, nhưng vào đầu những năm 2010, các công ty bán dẫn bắt đầu thử nghiệm thêm chiều thứ ba vào chip của họ. Được gọi là 'finFET', các bóng bán dẫn mới này có một kênh nhô lên khỏi bề mặt chip, giúp chúng kiểm soát tốt hơn những gì diễn ra trong các kênh của chúng, cho phép chúng chạy nhanh hơn gần 40% và hoạt động bằng một nửa năng lượng. Tuy nhiên, nhược điểm là những con chip này khó sản xuất hơn (tốn kém) hơn đáng kể vào thời điểm hiện tại.

Nhưng ngoài việc thiết kế lại các bóng bán dẫn riêng lẻ, tương lai Chip 3D cũng nhằm mục đích kết hợp tính toán và lưu trữ dữ liệu trong các lớp xếp chồng lên nhau theo chiều dọc. Ngay bây giờ, các máy tính truyền thống chứa bộ nhớ cách bộ xử lý của nó vài cm. Nhưng bằng cách tích hợp bộ nhớ và các thành phần xử lý, khoảng cách này giảm từ cm xuống micromet, cho phép cải thiện đáng kể tốc độ xử lý và mức tiêu thụ năng lượng.

Tính toán lượng tử. Nhìn xa hơn trong tương lai, một phần lớn máy tính cấp doanh nghiệp có thể hoạt động theo các định luật kỳ lạ của vật lý lượng tử. Tuy nhiên, do tầm quan trọng của loại máy tính này, chúng tôi đã dành chương riêng cho nó ở phần cuối của loạt bài này.

Siêu vi mạch không phải là công việc kinh doanh tốt Được rồi, vì vậy những gì bạn đọc ở trên đều tốt và tốt — chúng ta đang nói đến những vi mạch siêu tiết kiệm năng lượng được mô phỏng theo bộ não con người có thể chạy với tốc độ ánh sáng — nhưng vấn đề là, ngành công nghiệp sản xuất chip bán dẫn không quá mong muốn biến những khái niệm này thành hiện thực được sản xuất hàng loạt.

Những gã khổng lồ công nghệ, như Intel, Samsung và AMD, đã đầu tư hàng tỷ đô la trong nhiều thập kỷ để sản xuất vi mạch truyền thống dựa trên silicon. Chuyển sang bất kỳ khái niệm mới lạ nào được đề cập ở trên đồng nghĩa với việc loại bỏ các khoản đầu tư đó và chi thêm hàng tỷ USD vào việc xây dựng các nhà máy mới để sản xuất hàng loạt các mẫu vi mạch mới có thành tích bán hàng bằng không.

Không chỉ đầu tư về thời gian và tiền bạc đang kìm hãm các công ty bán dẫn này. Nhu cầu của người tiêu dùng đối với các vi mạch mạnh hơn bao giờ hết cũng đang giảm dần. Hãy nghĩ về điều đó: Trong suốt những năm 90 và hầu hết những năm 00, hầu như bạn phải giao dịch bằng máy tính hoặc điện thoại của mình, nếu không phải hàng năm, thì cách năm. Điều này sẽ cho phép bạn cập nhật tất cả các phần mềm và ứng dụng mới sắp ra mắt để làm cho cuộc sống ở nhà và nơi làm việc của bạn trở nên dễ dàng và tốt hơn. Những ngày này, bạn có thường xuyên nâng cấp lên mẫu máy tính để bàn hoặc máy tính xách tay mới nhất trên thị trường không?

Khi bạn nghĩ về điện thoại thông minh của mình, bạn có trong túi thứ mà chỉ 20 năm trước đây được coi là siêu máy tính. Bên cạnh những phàn nàn về thời lượng pin và bộ nhớ, hầu hết các điện thoại được mua từ năm 2016 đều có khả năng chạy hoàn hảo bất kỳ ứng dụng hoặc trò chơi di động nào, phát trực tuyến bất kỳ video nhạc hoặc phiên facetiming nghịch ngợm nào với SO của bạn hoặc hầu hết mọi thứ khác mà bạn muốn làm trên điện thoại. Bạn có thực sự cần chi 1,000 đô la trở lên mỗi năm để làm những việc này tốt hơn 10-15 phần trăm không? Bạn thậm chí có nhận thấy sự khác biệt?

Đối với hầu hết mọi người, câu trả lời là không.

Tương lai của Định luật Moore Trước đây, hầu hết kinh phí đầu tư vào công nghệ bán dẫn đến từ chi tiêu quốc phòng của quân đội. Sau đó, nó được thay thế bởi các nhà sản xuất điện tử tiêu dùng và đến năm 2020-2023, đầu tư hàng đầu vào phát triển vi mạch sẽ lại thay đổi, lần này là từ các ngành chuyên về những lĩnh vực sau:

Nội dung thế hệ tiếp theo. Sự ra đời sắp tới của các thiết bị thực tế ảo, ảo và ba chiều tới công chúng sẽ thúc đẩy nhu cầu truyền dữ liệu lớn hơn, đặc biệt là khi những công nghệ này trưởng thành và phổ biến vào cuối những năm 2020.

Điện toán đám mây. Giải thích trong phần tiếp theo của loạt bài này.

Xe tự hành. Được giải thích cặn kẽ trong Tương lai của Giao thông vận tải series.

Internet vạn vật. Giải thích trong của chúng tôi Internet of Things chương trong của chúng tôi Tương lai của Internet series.

Dữ liệu lớn và phân tích. Các tổ chức yêu cầu xử lý dữ liệu thường xuyên — hãy nghĩ đến quân đội, thám hiểm không gian, dự báo thời tiết, dược phẩm, hậu cần, v.v. — sẽ tiếp tục yêu cầu máy tính ngày càng mạnh mẽ để phân tích bộ dữ liệu thu thập ngày càng mở rộng của họ.

Tài trợ cho R & D vào các vi mạch thế hệ tiếp theo sẽ luôn tồn tại, nhưng câu hỏi đặt ra là liệu mức tài trợ cần thiết cho các dạng vi xử lý phức tạp hơn có thể theo kịp nhu cầu phát triển của Định luật Moore hay không. Với chi phí chuyển sang và thương mại hóa các dạng vi mạch mới, cùng với nhu cầu tiêu dùng chậm lại, ngân sách chính phủ trong tương lai suy thoái và suy thoái kinh tế, rất có thể Định luật Moore sẽ chậm lại hoặc dừng lại trong một thời gian ngắn vào đầu những năm 2020, trước khi bắt đầu trở lại vào cuối Những năm 2020, đầu những năm 2030.

Về lý do tại sao Định luật Moore sẽ tăng tốc trở lại, thì, chúng ta hãy nói rằng các vi mạch được hỗ trợ turbo không phải là cuộc cách mạng duy nhất trong quá trình điện toán. Tiếp theo trong loạt bài Tương lai của Máy tính, chúng ta sẽ khám phá các xu hướng thúc đẩy sự phát triển của điện toán đám mây.