Будущее развитие технологий процессоров, техпроцесс 1нм и мультиполигональные гетероструктуры

Предел техпроцесса при производстве микросхем

По заверениям учёных, размер транзисторов, использующихся в процессорах, имеет физический предел. На данный момент достигнут уровень 10нм для одного транзистора и началась разработка техпроцесса 7нм на заводах TSMC. Следующий шаг - 5нм, затем 3нм. Где-то в этой области уже наступает квантовая неопределённость и управление микросхемами этого уровня точности современными методами программирования будет затруднено: компьютеры начнут выдавать недостоверные результаты. Последний физический предел, который теоретически можно взять - 1нм. Дальше идёт уже атомарный уровень и просто невозможно создать единицу машинной логики из нескольких атомов. 

Зачем нужна такая высокая производительность и сколько лет ещё осталось?

Аппетит приходит во время еды и человечество привыкло жить в условиях постоянно повышающихся мощностей вычислительной техники, попутного снижения энергопотребления устройств и снижения их стоимости. Мы буквально подсели на это: вся современная экономика завязана на этот прогресс и закладывает в свои планы постоянное повышение планки. Стоит технологиям остановиться в росте или даже немного замедлить его, и весь мир ждёт глубочайший кризис, потому что он на это уже не рассчитывает! Остановятся многие космические и военные программы, мигом повысятся затраты на все производства и сократятся инвестиции в высокие технологии, ведь логика проста: нет будущего у технологии - нет возврата капитала на инвестиции.

Пока что ещё есть время. Достижение техпроцесса 7нм планируется в 2018 году (Samsung, TSMC, Intel), выход потребительского рынка на 5нм проектные нормы - в 2020 году, покорение порога 3нм - в 2022 году. Есть планы по разработке 2нм техпроцесса и кто-то уже подумывает об 1нм. Но дальше тупик. В 2030 году точно. Что же будет предпринимать эта гигантская отрасль, придя к своему победному финалу? 

Мультиполигональные гетероструктуры

Новейшие современные техпроцессы используют технологию производства транзисторов FinFET, которую пафосно именуют 3D-структурой, так как расположение транзисторов на схеме производится не планарно, а в объёме, в несколько слоёв, которые связаны друг с другом в вертикальном направлении. Переход к структуре FinFET ознаменовался заметным повышением плотности упаковки элементов и улучшением алгоритмов ветвления решений: если объяснить грубо, то вместо постепенного перебора значений система получила возможность сразу находить наиболее близкие варианты ответов.

Судя по удачно складывающейся практике, дальнейшее повышение количества соединений между элементами не за горами и рано или поздно структура действительно станет трёхмерной, представляя собой мультиполигональный объект, в котором каждый элемент граничит не с двумя (планарное размещение транзисторов), не с четырьмя/шестью, а с десятком других элементов. Возможно, структура элементов также изменится в связи с этим и передача сигнала будет происходить не в одном направлении, а сразу в нескольких.

Не нужны более тонкие техпроцессы, особенно когда их реализация противоречит законам физики, но нужны более умные техпроцессы, способные лучше адаптироваться под вычислительные нагрузки в реальном мире уже на уровне структуры. 

Поэтому процессоры также должны стать и гетероструктурными. Постараюсь пояснить, что это значит:

• сейчас обычный мобильный процессор включает в себя пять основных элементов - CPU, GPU, RAM, ISP, DSP. 
• CPU отвечает за вычисления с плавающей запятой
• GPU занимается графикой
• RAM хранит в краткосрочной памяти данные
• ISP обрабатывает фотки на лету
• DSP контролирует многочисленные датчики и сенсоры

Модем и встроенная память пока находятся на плате отдельно, но в ближайшем будущем могут также переехать внутрь процессора, что ускорит их работу и удешевит производство. Такую структуру можно условно назвать псевдогетерогенной, так как наличие отдельных элементов даёт лишь видимость гетерогенности. По факту они все по отдельности и каждый отвечает за свою часть задачи. Я же говорю о полной гетерогенности, когда внутри процессора всё будет перемешано: элементы всех сопроцессоров будут вписаны внутрь вычислительных ядер таким образом, что отделить их на плате будет просто невозможно. Добавится ещё парочка специализированных узлов и они также уместятся внутри чипа, а для контроля всех процессов потребуется некая сетка сверху, объединяющая все элементы на верхнем уровне. Ничего не напоминает по строению?

Процессоры и структура головного мозга

Да, описанные мной новшества в микропроцессорах напоминают структуру головного мозга человека: внутри его полушарий имеются отделы с разной специализацией. Какая-то часть мозга отвечает за когнитивные функции, какая-то - за математические вычисления, где-то интерпретируются сигналы о боли и, например, голоде, где-то хранятся воспоминания, а всё это сверху контролируется тончайшей сетью нейронов коры головного мозга. У нас в руках идеальный прототип - природный микропроцессор невиданной мощи с идеально развитой структурой. Нам нужно лишь внимательно исследовать особенности его работы и постараться скопировать максимально детально. Соблюдение архитектурных правил нашего мозга позволит создать наиболее человекоподобный машинный интеллект, который будет воспринимать и интерпретировать информацию также, как это сделал бы человеческий мозг. Только быстрее и эффективнее, без потерь и дефектов восприятия. Компьютер должен стать не просто как человек, он должен стать как суперчеловек! И поздно этого пугаться и просить приостановить махину прогресса: это направление развития уже не остановить и нужно привыкать жить в мире мыслящих машин, чтобы не стать вдруг его изгоем. Буквально десяток лет и всё уже случится.

Непрерывная логика взамен дискретной

Ещё один важный шаг, который должна сделать компьютерная техника вместе со всем человечеством в целом - это переход от дискретной логике к непрерывной. До сих пор и ещё сколько то лет в будущем мы воспринимали и будем воспринимать всё окружающее дискретно: один человек, один компьютер, одно слово, один метр, одна секунда. При том, что сознание наше способно мыслить непрерывно и делает это постоянно, просто у нас нет инструментов для определения этой непрерывности, нам нужно обязательно отделить одно от другого - метры от километров, человека от общества, слово от мысли, а секунду от вечности. Возможно, самообучающиеся машины смогут сделать это быстрее и перейти на совершенно иной уровень мировосприятия, не детерминирующий ни предметы, ни события, ни само время. Фундамент непрерывной логики уже есть, и машины умеют оперировать этими понятиями уже сейчас: вместо конкретного поискового запроса - семантический вектор из ключевых слов, вместо конкретного человека - статистическая выборка даже без определённого числа персон, просто векторы. Подобное мышление будет способствовать гораздо более глубокому изучению окружающего мира и открытию новых фундаментальных законов бытия. Если мы за сотни лет неуёмного технического прогресса не смогли открыть их для себя, возможно это сможет сделать искусственный интеллект, построенный без этой нерушимой стенки в мозгу, заставляющей нас считать секунды, нежели чем наслаждаться вечностью...

Строение головного мозга видео