Этот прогресс был обусловлен способностью отрасли постоянно вводить новшества в методы упаковки все большего количества вычислительных схем в более мелкие и более плотные микрочипы. Но с миниатюрными компьютерными процессорами, которые теперь содержат миллионы плотно упакованных транзисторных компонентов почти атомного размера, разработчики микросхем сталкиваются как с техническими, так и с фундаментальными ограничениями, которые стали препятствиями на пути постоянного улучшения производительности компьютеров.Достигли ли мы пределов вычислений?
В обзорной статье в выпуске журнала Nature за эту неделю Игорь Марков из Мичиганского университета рассматривает ограничивающие факторы в развитии вычислительных систем, чтобы помочь определить достижимые цели, выявляя «слабые» ограничения и реальные возможности для продвижения за счет использования новые технологии. Его исследования для этого проекта частично финансировались Национальным научным фондом (NSF).«Подобно тому, как второй закон термодинамики был вдохновлен открытием тепловых двигателей во время промышленной революции, мы готовы определить фундаментальные законы, которые могли бы обозначить пределы вычислений в нынешний информационный век», — говорит Санкар Басу, директор программы в Управление компьютерных и информационных наук и инженерии NSF. «Статья Маркова вращается вокруг этого важного интеллектуального вопроса нашего времени и кратко затрагивает большинство нитей научной работы, ведущей к нему».В статье суммируются и исследуются ограничения в областях производства и проектирования, проектирования и проверки, мощности и тепла, времени и пространства, а также сложности информации и вычислений.
«Каковы эти ограничения и возможны ли переговоры по некоторым из них? На каких предположениях они основаны? Как их можно преодолеть?» — спрашивает Марков. «Учитывая богатство знаний об ограничениях вычислений и сложные отношения между такими ограничениями, важно сравнивать с ними как доминирующие, так и новые технологии».
Сразу заметны ограничения, связанные с материалами и производством. В слое материала толщиной десять атомов отсутствие одного атома из-за неточного изготовления изменяет электрические параметры на десять процентов или более.
Дальнейшее сокращение конструкций такого масштаба неизбежно ведет к квантовой физике и связанным с ней ограничениям.Пределы, связанные с проектированием, зависят от проектных решений, технических возможностей и способности проверять проекты.
Хотя эти пределы вполне реальны, их трудно определить количественно. Однако, как только будут понятны предпосылки ограничения, препятствия на пути улучшения потенциально могут быть устранены.
Одним из таких достижений стало написание программного обеспечения для автоматического поиска, диагностики и исправления ошибок в конструкции оборудования.Ограничения, связанные с мощностью и энергией, изучались в течение многих лет, но только недавно разработчики микросхем нашли способы улучшить энергопотребление процессоров путем временного отключения частей микросхемы.
Есть много других хитрых приемов для экономии энергии во время вычислений. Но продвигаясь вперед, кремниевые чипы не смогут поддерживать темпы совершенствования без радикальных изменений.
Атомная физика предлагает интригующие возможности, но они намного превосходят возможности современной инженерии.Ограничения, связанные со временем и пространством, можно почувствовать на практике.
Скорость света, хотя и очень большая, ограничивает скорость перемещения данных. Сегодня, проходя через медные провода и кремниевые транзисторы, сигнал больше не может проходить через микросхему за один такт. Формула, ограничивающая параллельные вычисления с точки зрения размера устройства, скорости передачи данных и количества доступных измерений, известна уже более 20 лет, но только недавно стало важным, когда транзисторы работают быстрее, чем межсоединения. Вот почему разрабатываются альтернативы обычным проводам, но в то же время можно использовать математическую оптимизацию для уменьшения длины проводов путем перестановки транзисторов и других компонентов.
Современные компьютеры достигли нескольких ключевых ограничений, связанных с информацией и вычислительной сложностью. Некоторые категории вычислительных задач считаются настолько сложными для решения, что ни одна предлагаемая технология, даже квантовые вычисления, не обещает стабильного преимущества. Но изучение каждой задачи по отдельности часто помогает переформулировать ее для более эффективных вычислений.Когда конкретный предел приближается и препятствует прогрессу, понимание сделанных допущений является ключом к его обходу.
Масштабирование чипов будет продолжаться в течение следующих нескольких лет, но каждый шаг вперед будет сталкиваться с серьезными препятствиями, некоторые из которых слишком мощными, чтобы их можно было обойти.А как насчет прорывных технологий?
Новые методы и материалы могут быть полезны по-разному и потенциально могут «изменить правила игры» по отношению к традиционным ограничениям. Например, транзисторы из углеродных нанотрубок обеспечивают большую мощность возбуждения и потенциально могут уменьшить задержку, снизить потребление энергии и уменьшить площадь, занимаемую всей схемой.
С другой стороны, фундаментальные ограничения — иногда непредвиденные изначально — имеют тенденцию препятствовать новым и появляющимся технологиям, поэтому важно понять их, прежде чем обещать новую революцию в мощности, производительности и других факторах.«Понимание этих важных ограничений, — говорит Марков, — поможет нам сделать ставку на правильные новые методы и технологии».