Скорость нашей технологии удваивается каждый год (по Закону Мура (в современной формулировке) - количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца), не так ли? Уже нет!
Мы пришли к выводу, что с течением времени вычислительная техника становится быстрее, дешевле и энергоэффективнее.
Однако в своей недавней статье «Научно-исследовательская политика в конце закона Мура», опубликованной в Nature Electronics, исследователи Хасан Хан (Hassan Khan), Дэвид Хауншелл (David Hounshell) и Эрика Фукс (Erica Fuchs) из Университета Карнеги-Меллона утверждают, что будущее продвижение в микропроцессорах сталкивается с новыми и беспрецедентными проблемами.
В 1965 году директор по исследованиям и разработкам компании Fairchild (и позже соучредитель Intel) Гордон Мур предсказал продолжающееся системное снижение стоимости и увеличение производительности интегральных схем в своей статье «Объединение большого количества компонентов в интегральных схемах». Эта тенденция позже стала предпосылкой для формулировки закона Мура, который длится более 40 лет, что делает возможным «ослепительный массив» новых продуктов от межконтинентальных баллистических ракет до глобальных систем экологического мониторинга и от смартфонов до медицинских имплантатов.
«Половина экономического роста в США и во всем мире также объясняется этой тенденцией и инновациями, которые способствовали всей экономике», - говорит профессор инженерной и общественной политики, Эрика Фукс.
В течение семи десятилетий после изобретения транзистора в Bell Labs предупреждения о предстоящих ограничениях на миниатюризацию и соответствующее замедление закона Мура регулярно поступали от отраслевых наблюдателей и научных исследователей. Несмотря на эти предупреждения, полупроводниковая технология постоянно продвигалась по траектории закона Мура. Документальная работа и устные высказывания исследователей Хана, Хоуншелла и Фукс, однако, дают понять, что времена меняются.
«Нынешние технологические и структурные проблемы и вызовы, стоящие перед отраслью, являются беспрецедентными и подрывают стимулы для продолжения коллективных действий в области исследований и разработок», - утверждают авторы в документе, - «что подтверждено последними 50 годами трансформационного мирового экономического роста и социального прогресса».
Как объясняют авторы в своей статье, прогресс в полупроводниковой технологии переживает сейсмический сдвиг, вызванный изменениями, лежащими в основе технологий и рынке потребительских товаров. Непрерывно повышаемые достижение в производительности за счет миниатюризации транзисторов стало все более дорогостоящим, и появление новых конечных рынков привело к инновациям в более специализированных областях. Таким образом, в последние годы происходит раскол технологических траекторий, так что вся отрасль, двигающаяся ступеньками по законом Мура, больше не имеет экономической выгоды для всех фирм. Примерами в документе являются поисковые компании (например, Microsoft Bing) с использованием программируемых пользователем вентильных матриц в центрах обработки данных в качестве ускорителей в сочетании с процессорами, и анонс Google проприетарного запатентованного тензорного процессора, разработанного собственными силами, для его глубокого обучения.
Программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ, англ. field-programmable gate array, FPGA) — полупроводниковое устройство, которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления; отсюда название: «программируемая пользователем». ППВМ программируются путём изменения логики работы принципиальной схемы, например, с помощью исходного кода на языке проектирования (типа VHDL), на котором можно описать эту логику работы микросхемы. ППВМ является одной из архитектурных разновидностей программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). ППВМ могут быть модифицированы практически в любой момент в процессе их использования. Они состоят из конфигурируемых логических блоков, подобных переключателям с множеством входов и одним выходом (логические вентили или gates). В цифровых схемах такие переключатели реализуют базовые двоичные операции AND, NAND, OR, NOR и XOR. В большинстве современных микропроцессоров функции логических блоков фиксированы и не могут изменяться. Принципиальное отличие ППВМ состоит в том, что и функции блоков, и конфигурация соединений между ними могут меняться с помощью специальных сигналов, посылаемых схеме. В некоторых специализированных интегральных схемах (ASIC) используются логические матрицы, аналогичные ППВМ по строению, однако они конфигурируются один раз в процессе производства, в то время как ППВМ могут постоянно перепрограммироваться и менять топологию соединений в процессе использования. Однако такая гибкость требует существенного увеличения количества транзисторов микросхемы.
Тензорный процессор Google (Google Tensor Processing Unit, Google TPU) — тензорный процессор, относящийся к классу нейронных процессоров, являющийся специализированной интегральной схемой, разработанной корпорацией Google и предназначенной для использования с библиотекой машинного обучения TensorFlow. Представлен в 2016 году на конференции Google I/O, при этом утверждалось, что устройства к тому моменту уже использовались внутри корпорации Google более года. Утверждается, что тензорные процессоры применялись в серии игр в го программы AlphaGo против Ли Седоля и в следующих подобных поединках. Также корпорация применила тензорные процессоры для обработки фотографий Google Street View на предмет извлечения текста, сообщалось, что весь объём обработан менее чем за пять дней. В Google Фото один тензорный процессор может обрабатывать более 100 миллионов фотографий в день. Также устройство применяется для самообучающейся системы RankBrain, обрабатывающей отклики поисковой системы Google.
«Несмотря на то, что эти нововведения будут стимулировать многие достижения, связанные с конкретными областями, для продолжения развития вычислительных возможностей общего назначения по сниженным ценам с экономическими преимуществами, вероятно, потребуются совершенно новые технологии полупроводниковых процессов и устройств», объясняет Хасан Хан. «Основополагающая наука для этой технологии пока неизвестна и потребует значительных исследовательских фондов - на порядок больше, чем сейчас инвестируется».
Авторы заключают, утверждая, что отсутствие частных стимулов создает проблему для значительного увеличения государственного финансирования и необходимости руководства за пределами традиционных заинтересованных сторон. Они предполагают, что необходимо финансирование в размере 600 миллионов американских долларов в год, причем с 90% этих средств от государственного бюджета на исследовательские нужды, а остальные, скорее всего, от оборонных ведомств.
Что касается выделения этих средств, они утверждают, что есть два параллельных пути:
- Научно-исследовательские институты с учеными и руководителями правительственных программ в качестве ключевых игроков, которые также привлекают ключевых игроков из промышленной отрасли вычислительных технологий;
- Полукоординированные усилия по государственному финансированию, ориентированные на следующее поколение транзисторных технологий во всех государственных учреждениях, например, как это было в случае Национальной инициативы по нанотехнологиям, в которой ключевые руководители программ встречались еженедельно, чтобы обсудить инициативы и поделиться информацией.
Напомним, что еще в 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.
Источник: phys.org
