Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей - Дэниел Франклин

У подножия больше нет места

Но это направление уже почти полностью себя исчерпало. Уменьшать компоненты чипа каждый раз становится все труднее, и в современных транзисторах размером в десятки атомов инженеры просто приближаются к пределу возможностей. С момента запуска микропроцессора 4004 в 1971-м и до середины 2016-го пройдено 22 цикла закона Мура. До 2050 года предполагается еще 17. И в последних из них специалистам придется придумывать, как собирать компьютеры из комплектующих размером меньше атома водорода — самого крошечного из существующих природных элементов. Что, насколько известно, невозможно.

Впрочем, бизнес убьет закон Мура прежде, чем это сделают законы физики, поскольку выгода от миниатюризации транзисторов окажется меньше привычной. Закону Мура придает действенную силу связанное с ним явление под названием «масштабирование Деннарда» (по имени инженера IBM Роберта Деннарда, который первым формализовал эту идею в 1974 году). Согласно ему, уменьшение компонентов чипа делает его быстрее, энергоэффективнее и дешевле в производстве. Другими словами, чипы с меньшими компонентами лучше, поэтому компьютерщики смогли убедить потребителей каждые несколько лет вкладывать большие суммы в последние модели устройств. Но старая магия исчезает. Чипы становятся меньше, но это не делает их более быстрыми или более эффективными в том смысле, к которому мы привыкли (рис. 4.1). В то же время рост стоимости ультрасовременного оборудования, необходимого для изготовления чипов, снижает финансовую выгоду. Второй закон Мура (он гораздо любопытнее первого) гласит: стоимость «кремниевой мастерской», как называют подобные заводы, каждые четыре года удваивается. Стоимость современного завода по производству чипов колеблется около 10 млрд долларов. Это большие деньги даже для Intel.

Рис 4.1. Мур или меньше[3]. Прогресс замедляется

В результате эксперты Кремниевой долины пришли к согласию о том, что закон Мура скоро утратит свою силу. «С экономической точки зрения, закон Мура мертв», — говорит управляющая аналитической фирмой из Кремниевой долины Линли Гвеннап. Руководитель отдела исследований и разработок IBM Дарио Джил тоже откровенен: «Я категорически настаиваю, что будущее компьютерной индустрии больше не может подчиняться закону Мура». Инженер Боб Колвелл, в прошлом проектировавший интегральные микросхемы в Intel, считает, что в начале 2020-х индустрия, возможно, и создаст кристалл, компоненты которого будут расположены всего в 5 нанометрах друг от друга, «но трудно будет убедить меня в возможности дальнейшего сближения».

Другими словами, одна из самых мощных технологических сил за последние 50 лет скоро исчерпает себя. Предположение, что компьютеры будут безостановочно становиться все лучше и дешевле, намертво впечатано в представление людей о будущем. Оно лежит в основе многих технологических прогнозов из других частей этой книги, говорящих о беспилотных автомобилях, искусственном интеллекте и новых невероятных гаджетах. Но, помимо уменьшения компонентов, существуют и другие способы улучшения компьютеров. Конец закона Мура не означает финала компьютерной революции. Это означает лишь, что предстоящие десятилетия будут выглядеть совершенно иначе, чем предыдущие, ибо ни одна из альтернатив не является столь же надежной или повторимой, как великая миниатюризация прошлого полувека.

Жажда скорости

Закон Мура сделал компьютеры меньше, превратив их из монстров, заполняющих всю комнату, в изящные карманные устройства. Это также сделало их более экономичными: смартфон, вычислительная мощность которого больше, чем было доступно всему миру в 1971 году, может работать на одном заряде батареи день или более. Но самое главное — компьютеры стали быстрее. Но к 2050 году, когда закон Мура станет древней историей, инженерам, если они хотят заставить компьютеры работать еще быстрее, придется использовать другие приемы.

Есть несколько простых путей. Во-первых, оптимизировать программное обеспечение. Бешеный темп закона Мура до сих пор оставлял компаниям совсем мало времени для оптимизации своих продуктов. И тот факт, что клиенты каждые несколько лет будут покупать более быстрые устройства, еще больше ослабил стимул для идеальной отладки программ: самый простой способ ускорить плохо написанный код — просто подождать год или два, пока не появится оборудование, которое выполнит его быстрее. По мере того как закон Мура перестает работать, слишком короткие циклы жизни продуктов компьютерной индустрии могут начать увеличиваться, давая программистам больше времени для улучшения качества их работы.

Еще одним способом является разработка узкоспециализированных кристаллов, пусть в ущерб вычислительной универсальности. Современные чипы начинают оснащаться специализированными схемами, предназначенными для ускорения наиболее распространенных задач, таких как распаковка фильмов, выполнение сложных вычислений, необходимых для шифрования, или отрисовки сложной трехмерной графики, используемой в видеоиграх. Поскольку компьютеры стали использоваться во всевозможных других видах продукции, подобные специализированные чипы окажутся весьма полезными. Например, беспилотные автомобили будут все чаще использовать машинное зрение, с помощью которого компьютеры научатся интерпретировать изображения из реального мира, классифицировать объекты и извлекать информацию, что является вычислительно очень сложной задачей, для ее решения применение специализированной схемы будет особенно целесообразно.

Однако чтобы вычислительные мощности продолжали расти так, как мы привыкли, понадобится нечто более радикальное. Одна из идей решения этой проблемы заключается в попытке сохранить закон Мура путем его переноса в третье измерение. Современные чипы, по своей сути, плоские. Но исследователи уже пробуют сделать микросхемы, в которых компоненты уложены друг на друга. Даже если площадь таких чипов перестанет уменьшаться, наращивание слоев позволит дизайнерам продолжать набивать в них больше компонентов, точно так же, как на одной площади фундамента в высотных домах могут поселиться больше людей, чем в малоэтажных.

Первые такие устройства уже выходят на рынок: крупный южнокорейский производитель микроэлектроники Samsung продает накопители, реализованные на многослойных схемах памяти. Перспективы этой технологии весьма многообещающи. В современных компьютерах память смонтирована в нескольких сантиметрах от процессоров. При нынешних скоростях сантиметр — это очень долгий путь, означающий значительные задержки при обработке данных. 3D-чипам удалось устранить эту проблему: слои логики обработки в них расположены между слоями памяти. IBM считает, что 3D-микросхемы могут позволить разработчикам сжать суперкомпьютер, сегодня заполняющий целое здание, до объема коробки для обуви.