Закон Мура мертв. Что теперь?

Соучредитель Intel Гордон Мур навсегда изменил наше представление о компьютерах, но 55 лет спустя можно с уверенностью сказать, что закон Мура окончательно умер. Так что же дальше?

Автор Пшемыслав Касиорек

Изображение: Шаттерсток

Модуль записи обновлений во встроенный
ОБНОВЛЕНО
Мэтью Урвин | 19 октября 2022 г.

Что такое закон Мура?

В 1965 году Гордон Мур заметил, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме будет удваиваться каждые 18 месяцев (позже он увеличил это значение до двух лет), тем самым увеличивая вычислительную мощность. В 1968 году Мур стал соучредителем Intel вместе с Робертом Нойсом, и его наблюдения стали движущей силой успеха Intel с полупроводниковыми чипами. Тот факт, что закон Мура просуществовал более 50 лет в качестве руководства для инноваций, удивил самого Мура, и в интервью 2015 года он описывает пару потенциальных препятствий, связанных с дальнейшей миниатюризацией: скорость света, атомная природа материалов и растущие затраты. .

Тем не менее, технологи усвоили закон Мура и привыкли верить, что скорость компьютера удваивается каждые 18 месяцев, как Мур наблюдал более 50 лет назад, и до недавнего времени это было правдой. Однако закон Мура устаревает. Почему? Что является самым большим ограничением закона Мура? И какие у нас есть альтернативы?

Что такое закон Мура?

Закон Мура — это наблюдение, согласно которому количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года.

Закон Мура и микропроцессор

Сначала немного предыстории: ЦП (центральный процессор) выполняет основные арифметические операции. Микропроцессор включает в себя функции ЦП на одной интегральной схеме, которая сама состоит из транзисторов. В настоящее время ЦП представляет собой микропроцессор (состоящий из одной схемы) с миллиардами транзисторов. Например, Xbox One имеет 5 миллиардов.

Первый микропроцессор Intel, Intel 4004, имел 2300 транзисторов размером 10 мкм каждый. По состоянию на 2019 год размер одного транзистора на массовом рынке составляет в среднем 14 нанометров (нм), а в 2018 году на рынок вышло множество 10-нм моделей. Intel удалось разместить более 100 миллионов транзисторов на каждом квадратном миллиметре. Самые маленькие транзисторы достигают размера 1 нм. Это не становится намного меньше, чем это.

Подробнее о законе Мура

Угрозы закону Мура и ограничения инноваций

Атомный масштаб и стремительно растущие затраты

Скорость света конечна, постоянна и обеспечивает естественное ограничение на количество вычислений, которые может обработать один транзистор. В конце концов, информация не может передаваться быстрее скорости света. В настоящее время биты моделируются электронами, движущимися через транзисторы, поэтому скорость вычислений ограничена скоростью электрона, движущегося через материю. Провода и транзисторы характеризуются емкостью C (способностью накапливать электроны) и сопротивлением R (насколько они сопротивляются протеканию тока).С миниатюризацией R увеличивается, а C уменьшается, и становится все труднее выполнять правильные вычисления.

Продолжая миниатюризировать чипы, мы, несомненно, столкнемся с принципом неопределенности Гейзенберга, ограничивающим точность на квантовом уровне, что ограничивает наши вычислительные возможности. Джеймс Р. Пауэлл подсчитал, что только из-за принципа неопределенности закон Мура устареет к 2036 году.

На самом деле, уже может быть достаточно причин, чтобы задаться вопросом: «Закон Мура умер?» Роберт Колвелл, директор отдела технологий микросистем в Агентстве перспективных исследовательских проектов Министерства обороны, использует 2020 год и 7 нм в качестве последнего узла техпроцесса. «На самом деле, я ожидаю, что отрасль приложит все усилия, чтобы перейти к 5 нм, даже если 5 нм не дает большого преимущества перед 7 (нм), и это отодвигает самый ранний конец на 2022 год. Я думаю, что конец проходит прямо вокруг этих узлов».

Еще одним фактором, угрожающим будущему закона Мура, являются растущие затраты, связанные с энергией, охлаждением и производством. Создание новых процессоров или графических процессоров (графических процессоров) может стоить дорого. Стоимость производства нового 10-нм чипа составляет около 170 миллионов долларов, почти 300 миллионов долларов для 7-нм чипа и более 500 миллионов долларов для 5-нм чипа. Эти цифры могут расти только с некоторыми специализированными чипами. Например, NVidia потратила более 2 миллиардов долларов на исследования и разработки для создания графического процессора, предназначенного для ускорения ИИ.

Будущее закона Мура и вычислений

Квантовые вычисления

Принимая во внимание все эти факторы, необходимо искать альтернативные способы вычислений помимо электронов и кремниевых транзисторов, от которых зависит закон Мура.

Одной из альтернатив, которая продолжает набирать обороты, являются квантовые вычисления. Квантовые компьютеры основаны на кубитах (квантовых битах) и используют квантовые эффекты, такие как суперпозиция и запутанность, в своих интересах, тем самым преодолевая проблемы миниатюризации классических вычислений.Пока рано прогнозировать, когда они получат широкое распространение, но уже есть интересные примеры их использования в бизнесе. Наиболее насущной проблемой для квантовых вычислений является масштабирование квантовых компьютеров с десятков кубитов до тысяч и миллионов кубитов.

Узнайте у встроенного эксперта по квантовым вычислениям, как писать псевдокод

Специализированная архитектура

Другой подход — специализированная архитектура, настроенная на определенные алгоритмы. Эта область очень быстро растет благодаря большому спросу со стороны машинного обучения. Графические процессоры уже более десяти лет используются для обучения ИИ. В последние годы Google представила TPU (блоки тензорной обработки) для улучшения ИИ, и сейчас более 50 компаний производят чипы ИИ, в том числе: Graphcore, Habana или Horizon Robotics, а также большинство ведущих технологических компаний.

Закон Мура заканчивается. Так что же дальше? | Видео: Искатель

ПЛИС

На практике FPGA (программируемые пользователем вентильные матрицы) означают, что часть аппаратного обеспечения может быть запрограммирована после производственного процесса. FPGA были впервые произведены Seiko в 1985 году, но различное перепрограммируемое оборудование можно проследить до 1960-х годов. В последнее время FPGA входят в моду, особенно в связи с их использованием в центрах обработки данных как Intel, так и Microsoft. Microsoft также использовала FPGA для ускорения поиска Bing. Концепцией, аналогичной FPGA, является ASIC, интегральная схема для конкретного приложения. В последнее время они были чрезвычайно популярны среди майнинга криптовалюты.

Спинтроника, оптические вычисления и многое другое

Еще одна альтернатива классическим вычислениям и закону Мура — заменить кремний или электроны чем-то другим. Использование спина электронов вместо их заряда порождает спинтронику, электронику, основанную на спинах. Широкое использование спинтроники все еще находится на стадии исследований, а моделей для массового рынка нет. В настоящее время ученые также изучают оптические вычисления или используют свет для выполнения вычислений. Однако на пути создания промышленного оптического компьютера все еще существует множество препятствий.

Наконец, мы наблюдаем увеличение числа экспериментов с не кремниевыми материалами. Составные полупроводники объединяют два или более элемента из таблицы Менделеева, таких как галлий и азот. Различные исследовательские лаборатории также тестируют транзисторы, изготовленные из кремния-германия или графена. И последнее, но не менее важное: некоторые исследователи изучают биологические вычисления, используя клетки или ДНК в качестве интегральных схем, но это еще более далеко от промышленного использования.

Чтобы выйти за пределы закона Мура, нам нужно выйти за пределы классических вычислений с электронами и кремнием и вступить в эру некремниевых компьютеров. Хорошая новость заключается в том, что существует множество вариантов, от квантовых вычислений до чудесных материалов, таких как графен, оптических вычислений и специализированных чипов. Каким бы ни был путь вперед, будущее вычислений определенно захватывающее! Покойся с миром, закон Мура.