Будущее Закона Мура

Автор: Петрушенко Владислав
Темы: техника и технологии

Картина будущего по большей части зависит от развития технологий. И в меньшей степени зависит от политических, экономических или социальных факторов. Поэтому рассуждения о будущем не будут иметь сколько-нибудь большой вес без исследования физических пределов развития технологий. Современный мир целиком и полностью базируется на развитии вычислительной техники, а законом, характеризующим его развитие, является закон Мура.

В последнее время часто говорят о смерти закона Мура в связи с достижением предела микроминиатюризации – размеры всех элементов транзистора почти достигли минимально возможных атомарных размеров.

С другой стороны высказываются резкие, категорические, полные скепсиса, суждения о том, что квантовые компьютеры, которые видятся как альтернатива классическим, ни на что не способны, а значит, экспоненциальный рост вычислительных мощностей компьютеров в ближайшие несколько лет прекратится.

Но нельзя рассматривать развитие отдельной технологии в отрыве от целого. Целым в данном случае является наблюдаемый экспоненциальный рост во всех областях технологий, связанных с вычислениями: начиная от робототехники, искусственного интеллекта, биотехнологии и заканчивая генетикой, синтетической биологией и даже ценами на 3d-принтеры. Эта же тенденция справедлива также и для роста количества информации, производимой человечеством.

Далее будет рассмотрен закон Мура для классических компьютеров и закон Роуза для квантовых компьютеров. Однако такие s-образные кривые характеризуют не только развитие компьютеров, а все технические, и даже биологические системы .

Недавно генетики Ричард Гордон и Алексей Шаров выдвинули теорию, согласно которой генетическая сложность организмов удваивается каждые 376 млн лет, а это значит, что эволюция живой природы подчиняется закону Мура (апреле 2013 года).

Также существует кривая Панова-Снукса, суть которой заключается в том, что биологическая и социальная эволюция происходила качественными скачками, каждый из которых имел характер преодоления некоторого эволюционного кризиса. Последовательность этих скачков подчиняется математической закономерности, образуя очень точную геометрическую прогрессию с коэффициентом ускорения равным 2,67. То есть каждый следующий этап короче предыдущего примерно в два с половиной раза. Эта последовательность стремится к определенному пределу, называемому сингулярность эволюции, который лежит в первой половине XXI века.

Следовательно, с законом Мура связано не только экспоненциальное увеличение количества транзисторов на микросхеме, но он также ответственен и за взрывной рост во всех перечисленных выше областях. Поэтому, только основываясь на законе Мура можно попытаться заглянуть в будущее с высоты птичьего полёта, чтобы рассмотреть грядущие кризисы, грозящие человечеству, и возможности, которые могут изменить даже саму дефиницию того, что значит быть человеком.

В статье говорится о том, что нет никаких доказательств тому, что закон Мура прекратится в ближайшие 20-25 лет, даже при использовании исключительно имеющихся технологий (далее приводится обзор таких технологий). Нет оснований для его прекращения и после, в связи с развитием оптических, квантовых и молекулярных компьютеров.

Ключевая мысль статьи: «Экспоненциальное развитие производительности компьютеров наблюдается уже 110 лет! Поэтому и далее, у нас нет никаких оснований сомневаться: если действие закона Мура прекратится на кремниевой транзисторной основе, то это не значит, что он прекратит выполняться совсем».

А значит можно делать долгосрочные прогнозы технологической эволюции, используя закон Мура как базис для конструирования прогнозов. Прогнозы такого рода станут темой следующих статей об эволюционной сингулярности, пантокреатике и автоэволюции, как единственном шансе для человечества избежать грядущей смены эволюционного лидера и избежать коллапса цивилизации. В дальнейших статьях мы будем исходить из того, что закон Мура будет соблюдаться и дальше.

Так что данная статья является не самостоятельной, но введением к целому циклу статей на темы дальнейшей эволюции человечества в связи с близостью трёх сингулярностей – эволюционной, технологической и информационной (точка ЭТИС).

Часть I. Закон Мура.

Гордон Мур (Gordon E. Moore), основатель компании Intel, в апреле 1965 года сделал прогноз развития микроэлектроники в статье для журнала Electronics, получивший название закона Мура. Закон Мура в первоначальной формулировке говорит о том, что количество транзисторов, размещаемых на единице площади микрочипа, ежегодно будет удваиваться. Иными словами, плотность схемы микрочипов удваивается, а значит, процессоры будут становиться все более дешевыми, быстродействующими и массовыми. Вот рисунок прогноза Мура:

Рис. 1. Закон Мура (Electronics, April 19, 1965)

В 1975 года Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым в дальнейшем удвоение числа транзисторов в микрочипах будет происходить каждые два года. В настоящее время количество транзисторов на микропроцессоре удваивается каждый год-полтора.

В начале XXI века мы подошли к пределу развития традиционной кремниевой микропроцессорной технологии. Будет ли закон Мура действовать и дальше? Для этого посмотрим, что мы имеем на настоящий момент, а также в ближайшей перспективе.

В апреле 2012 году Intel начала производство 22-нанометрового процессора Ivy Bridge третьего поколения Core, с использованием методики Tri-Gate (транзисторов с трёхмерной структурой), предусматривающей переход от планарных структур транзисторов к объёмным. Технология Tri–Gate позволяет создавать процессоры, функционирующие при меньшем напряжении и с меньшими токами утечки. В результате, обеспечивается улучшение производительности и повышение энергетической эффективности. Методику Tri-Gate предполагается применять и для чипов последующих поколений вплоть до конца десятилетия.

Дальнейшие долгосрочные планы развития Intel по версии его главы Пола Отеллини следующие (эти же цифры приводятся в «дорожной карте»):

• В июне 2013 года Intel представит первые 22-нанометровые процессоры Core четвёртого поколения Haswell, которые будут обладать существенно переработанной архитектурой по сравнению с Ivy Bridge.
• К концу 2013-го года ожидается начало пробного выпуска пятого поколения процессоров Core Broadwell, при производстве которого используется 14-нанометровая технология, которая позволит оптимизировать энергопотребление и уменьшить цену. Массовое производство процессоров Broadwell запланировано на 2014-й.
• В 2015-2016 годах Intel рассчитывает перейти на технологические нормы в 10 нанометров. На эту же дату указывает Международная дорожная карта полупроводниковых технологий (ITRS).
• Кроме того, в корпорации ведутся исследования по разработке технологий производства процессоров с нормами 7-нм и 5-нм, внедрение которых в массовое производство станет возможным ближе к концу десятилетия. Хотя не понятно, как именно они собираются их производить.

Но дальнейшая миниатюризация таким способом вероятно уже будет невозможна. «Трёхмерный» дизайн современных транзисторов используется потому, что затворы, которые позволяют устройствам переключаться между одним из двух состояний, в плоских транзисторах уже не работают. Физическим пределом кремниевого транзистора является 10 нанометров, за которым квантово-механические эффекты делают дальнейшее уменьшение транзистора невозможным. Проблема здесь в том, что кремниевые транзисторы, обеспечивающие передачу информации в микрочипе, достигли такой миниатюрности, что начинают мешать повышению быстродействия.

Основных фундаментальных ограничений, которые сведут на нет действие закона Мура, два: токи утечки из-за эффекта прямого туннелирования электронов через затвор и возрастающая плотность теплового потока, связанная с ускорением переключения полупроводниковых вентилей. Согласно Принципу Ландауэра, логические схемы должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых данных. Возможности по рассеиванию тепловой энергии физически ограничены, так как при длине затвора меньше 10 нанометров элементы на кристалле полупроводника будут не способны отводить выделяемое при протекании тока тепло и не разрушаться. Рост значения тепловой энергии приведёт к появлению сбоев в работе.

Дальнейшее уменьшение транзисторов потребует новых изолирующих материалов, или диэлектрических слоёв, которые позволяют затворам «выключаться». При разработке технологии на 7 и 5 нанометров компании Intel придётся принимать это во внимание.

Рис. 2. Экспоненциальный рост количества транзисторов на микросхеме. За последние сорок лет количество транзисторов в микропроцессорах увеличилось в 630 000 раз: 1971 год – 2300 транзисторов (Intel 4004); 2012 год – 1.450.000.000 (Intel Ivy Bridge).

Из вышенаписанного можно сделать вывод, что Intel как минимум ещё 7-10 лет сможет обеспечивать выполнение классического закона Мура, создавая транзисторы по современной схеме работы, Но затем размеры всех элементов транзистора достигнут минимально возможных размеров, потенциал улучшения характеристик чипов будет исчерпан, следовательно, уменьшать их дальше будет просто невозможно.

То есть кремниевая полупроводниковая технология себя исчерпает. И случится это примерно около 2020 года. Эту же дату называет физик и футуролог Мичио Каку (Michio Kaku), как время прекращения действия закона Мура. Гордон Мур в 2007 году также высказал опасения по поводу прекращения действия своего закона, но не уточнил дату.

Решений, способных продлить жизнь кремниевым интегральным схемам, несколько. Приведу основные методы разрешения «кремниевого» кризиса, которые ожидают нас в ближайшей перспективе:

1. Увеличение количества ядер. Этот метод основан на достижении высокой степени параллелизма вычислений путем увеличения числа ядер на одном кристалле, и в настоящее время уже используется в современных процессорах. Проблема здесь в том, что медные проводники, при помощи которых происходит обмен информацией между ядрами процессоров, характеризуются значительной рассеиваемой мощностью, что весьма затрудняет передачу больших объемов данных, которая требуется для эффективной работы многоядерных процессоров. Для решения этой проблемы необходимо «распараллеливание» больших массивов данных.

Пример: Компания Intel занимается исследованиями перспективы выпуска чипа, имеющего 48 ядер. Появится такое устройство в массовой продаже не раньше, чем через пять–десять лет.

2. Трёхмерная структура процессоров. Увеличить производительность микропроцессоров можно, используя трехмерные многослойные микросхемы. Трёхмерные микросхемы более компактны и обладают большей производительностью и меньшим тепловыделением (по мнению Ника Бострома, с толщиной чипа до 300 мм не должно быть проблем). Однако из-за высокой себестоимости подобных микропроцессоров и больших технологических сложностей производство подобных устройств ещё пока не налажено.

Пример: в университете города Гренобль (Франция) разработали дешевую альтернативу современным методикам сборки трехмерных микрочипов, научившись управлять сборкой «биопроводов» из молекул белков. Токопроводящие белки можно использовать для сборки трехмерных микрочипов из отдельных кремниевых пластин. Данная конструкция проводит ток не хуже, чем это делают металлические контакты между слоями современных 3d-микрочипов. При помощи этой технологии можно значительно удешевить производство трехмерных микропроцессов (Nature Materials, 2013).

3. Увеличение площади процессоров. Увеличить производительность можно также, создавая микросхемы больших размеров при наличие некоторого допуска на ошибки.

4. «Неточный» процессор. «Неточный» процессор обладает значительно более высокой энергетической эффективностью за счёт свойственной ему тенденции ошибаться при расчётах. Путём расчёта вероятности ошибок и ограничения типов операций, редко использующихся элементов интегральных схем, при выполнении которых они допустимы, можно улучшить характеристики процессоров, снизив энергопотребление и увеличив производительность. Теоретически можно добиться 15-кратного выигрыша в показателях энергоэффективности.

Пример: специалисты из Университета Райса (США) создали прототип «неточного» микрочипа. В основу опытной разработки положена идея «неточных» вычислений: микрочип работает более эффективно, но допускает определённый процент ошибок. Расчёты показывают, что процессор за счёт неточностей при вычислениях обеспечит двукратный выигрыш в быстродействии, энергопотреблении и займёт вдвое меньше места по сравнению с традиционными решениями (Rise University, 2012).

5. Метакомпьютинг. Последний метод, который может обеспечить дальнейший рост доступной вычислительной мощности – это метакомпьютинг. Или, другими словами, использование компьютерных сетей для создания распределенной вычислительной инфраструктуры. Наилучшим образом работает для задач, легко поддающихся параллелизации. Цель метакомпьютинга: образовать динамически организующийся из распределенных вычислительных систем метакомпьютер, который выступал бы в виде единой вычислительной среды. Отдельные компьютеры, соединенные высокоскоростными сетями передачи данных, являются составными частями метакомпьютера и в то же время служат точками подключения пользователей.

Пример: грандиозные перспективы светлого будущего этому методу обеспечивают «облачные» технологии. Именно на «облачные» технологии возлагают большие надежды в связи с созданием компьютеров пятого поколения, использующих высокопараллельную архитектуру. Распределённые сети могут стать средством организации вычислений следующего поколения.

Есть ещё один вариант, который мы не рассмотрели – отказ от кремния и переход на новые материалы. Поскольку дальнейшая миниатюризация для кремния невозможна, единственным выходом в результате останется переход на новые материалы. Существует три базовых материала для производства электроники: металлы, полупроводники (используемые в современных транзисторах) и изоляционные материалы или диэлектрики, которые не проводят электричество, а, следовательно, не могут использоваться для прохождения сигнала – воздействие на диэлектрики мощных энергетических полей приводит к их повреждению.

Первой альтернативой, способной заменить кремниевые полупроводниковые интегральные микросхемы, являются диэлектрики. Ученые из Государственного университета Джорджии совместно с научными сотрудниками из немецкого Института квантовой оптики Макса Планка обнаружили, что при воздействии на диэлектрики короткими, но интенсивными электрическими импульсами, они начинают проводить электрический ток и при этом сохраняют свою целостность.

Электронные устройства на базе диэлектрических начинают проводить электричество при воздействии на него мощного светового поля. Новые транзисторы приводятся в действие лазерными импульсами. Использование в электронных устройствах нового поколения диэлектриков позволит увеличить скорость работы транзисторов в 10 тысяч раз. Поскольку современные процессоры работают со скоростью примерно 3 ГГц, а диэлектрики в 10 тысяч раз быстрее полупроводников, значит, диэлектрические чипы будут работать со скоростью в 30 000 ГГц. И это только начало. По мнению учёных мы располагаем возможностью создания устройства с тактовой частотой в 1 000 000 ГГц.(Nature, 2012).

Вторая альтернатива — углеродные нанотрубки. У них превосходные электрические свойства и они идеально подходят по форме для транзисторов. Электроны в углеродных транзисторах могут перемещаться с большей лёгкостью, что, понятно, позволяет быстрее передавать данные. Диаметр углеродных нанотрубок — 1-2 нм. Транзисторы на углеродных нанотрубках (технология CNT)

В экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по длине нанотрубок. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер больше не сократится.

В качестве примеров можно привести два последних достижения компании IBM:

• Во-первых, специалистам IBM удалось сформировать самый маленький из когда-либо созданных транзисторов на углеродных нанотрубках — всего 9 нм. Транзистор способен выдерживать четырёхкратно возросшие токи, что означает более высокое качество сигнала, и вместе с тем ему нужно всего 0,5 В для переключения.
• Во-вторых, исследователи IBM разместили на подложке и протестировали более 10 тыс. элементов из углеродных нанотрубок в одном чипе с использованием существующих базовых полупроводниковых производственных процессов. Отдельные нанотрубки можно с контролируемой точностью позиционировать на кристалле чипа с показателем плотности около миллиарда на квадратный сантиметр.

Третьей возможной альтернативой кремнию может стать индий-галлий-арсенида. Как написано выше, современные микропроцессоры производятся по методике Tri-Gate, основанной на транзисторах с вертикальной 3d-структурой. Однако даже эта методика не позволит развиваться вычислительной технике достаточно долго, потому что мобильность электронов в кремнии ограничена, следовательно, нужны новые материалы.

Учёные из Университета Пердью и Гарвардского университета (США) создали транзистор из материала, который содержит три тончайших нанопроводка из индий-галлий-арсенида — многообещающего полупроводникового материала, способного заменить кремний. Транзисторы из арсенида индия-галлия, созданные учёными, имеют длину затвора в 20 нанометров. Микросхемы, основанные на технологии трёхмерных транзисторов из индий-галлий-арсенида, будут более производительными и энергоэффективными. Важный недостаток новой технологии – цена микрочипов.

Можно ещё упомянуть технологию многократного использования электронов в микросхемах (организация передачи сигнала на уровне элементарных частиц, путем спиновых волн). В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. Чисто теоретическая идея Intel заключается в том, что можно производить множество операций, не теряя электронов.

Про оптоэлектронику (полупроводниковая электроника, дополняющая оптику) будет сказано позже.

Также не будет забывать, что увеличивать вычислительные мощности можно не только за счёт улучшения аппаратного обеспечения, но и программного тоже. Ещё Станислав Лем несколько десятилетий назад сформулировал закон Донды, согласно которому, то, что маленький компьютер может сделать, имея большую программу, большой компьютер сделает, имея малую.

Это не все предлагаемые альтернативы, их количество довольно велико, но даже только эти пять методов вкупе с переходом на новые материалы способны «продлить жизнь» закону Мура как минимум лет на 10-20.

Минусом является понимание того факта, что все эти альтернативы в традиционном духе и временные, дающие нам небольшую отсрочку. Нам необходимо радикальное решение, чтобы преодолеть очередной фазовый переход в эволюции вычислительной техники. Но прежде чем начать рассмотрение таких радикальных решений, нам потребуется вернуться к закону Мура.

Часть II. Обобщённый закон Мура

Традиционная кремниевая микропроцессорная техника уменьшалась в размерах и повышала производительность уже более пятидесяти лет, развиваясь согласно закону Мура.

Поскольку время удвоения не является константой, а дальнейшее увеличение вычислительной производительности компьютеров совсем не обязательно будет достигаться за счёт удвоения количества транзисторов, имеет смысл переформулировать закон Мура. Под законом Мура будем в дальнейшем подразумевать экспоненциальный рост вычислительной мощности (на доллар с поправкой на инфляцию). Следовательно, обобщённый закон Мура применим в отношении возможностей всей вычислительной техники.

Рис. 3. Обобщённый закон Мура. Экспоненциальный рост производительности вычислительной техники.

Если посмотреть с точки зрения этого расширенного закона Мура на рост вычислительной мощности начиная с начала XX века, то мы увидим, что на протяжении всего этого времени обобщённый закон Мура соблюдался, несмотря на смену пяти технологических поколений элементной базы вычислительной техники, начиная с электромеханических агрегатов и механических реле и заканчивая большими интегральными схемами.

Это значит, что экспоненциальное развитие производительности компьютеров наблюдается уже 110 лет! Поэтому и далее у нас нет никаких оснований сомневаться: если действие закона Мура прекратится на кремниевой транзисторной основе, то это не значит, что он прекратит выполняться совсем.

Взрывной рост наблюдается во всех областях, связанных с вычислениями: начиная от биотехнологии, информации, производимой человечеством, количества роботов и устройств, подключённых к Интернету и заканчивая генетикой, синтетической биологией, искусственным интеллектом и ценами на 3d-принтеры. Все эти технологии развиваются экспоненциально.

Например, генетика. Международный проект по расшифровке генома «Human Genome Project» начался в 1990 году под руководством Джеймса Уотсона, и был рассчитан на 15 лет. Стоимость секвенирования первого человеческого генома тогда оценивалась в сумму более 3-ёх миллиардов долларов. В 1998 году Крейг Вентер и его фирма «Celera Genomics» параллельно запустили аналогичный частный проект, стоимостью 300 миллионов долларов, который был завершён несколько ранее международного. В 2000 году они выпустили рабочий черновик генома, а в апреле 2003 года было объявлено о полном завершении работы (расшифровка 92 % ДНК). Проект был выполнен на два года быстрее, чем планировалось. К 2007 году расходы на расшифровку генома составляли около 1 миллиона долларов, а сегодня эта цифра равна примерно 5000$. В ближайший год-два стоимость упадёт до 1000$. Как только технология секвенирования генома станет массовой, (вполне вероятно, что это случится до начала следующего десятилетия), стоимость расшифровки будет равна нескольким долларам. Эти цифры говорят о том, что в сфере секвенирования ДНК экспоненциальный рост происходит в несколько раз быстрее, чем в сфере микросхем.

Проблем с увеличением производительности не будет, а тенденции, описываемые законом Мура, смогут продолжаться и после достижения барьера в 10-нм, если на смену имеющимся технологиям придут новые технологии, совершенно иной программной и аппаратной реализацией вычислительных машин. Но об этом в продолжении.