Jaká bude budoucnost počítačových čipů?

 

Na první Mezinárodní konferenci o pevných obvodech konané v kampusu Pennsylvánské univerzity ve Philadelphii roku 1960 představil mladý počítačový vědec jménem Douglas Engelbart elektronickému průmyslu pozoruhodně jednoduchý, leč převratný koncept „škálování“.


Dr. Engelbart, který později přispěje k vývoji počítačové myši a dalším technologiím v oblasti osobních počítačů, přišel s teorií, že s tím, jak se elektronické obvody budou zmenšovat, jejich komponenty budou stále rychlejší, budou vyžadovat méně energie a budou levnější na výrobu – to vše stále se zrychlujícím tempem.

 

V publiku tehdy seděl Gordon Moore, pozdější zakladatel společnosti Intel, největšího světového výrobce čipů. Dr. Moore princip škálování kvantifikoval v roce 1965 a představil něco, co se mělo stát „magnou chartou“ počítačového věku. Předpověděl, že počet tranzistorů vyleptaných na čip se bude po dobu minimálně deseti let každoročně zdvojnásobovat, což povede k astronomickému nárůstu výpočetního výkonu.

 

Jeho předpověď se objevila v časopise Electronics v dubnu 1965 a dostala název Mooreův zákon. Nešlo o zákon fyzikální, spíše o pozorování ekonomiky mladého odvětví, přičemž formulovaná teze vydržela v platnosti téměř půl století.


27-MOORE-JP2-blog427.jpg


Jeden tranzistor, široký zhruba jako bavlněné vlákno, stál počátkem šedesátých let v přepočtu asi jako dnešních osm dolarů; Intel byl založen v roce 1968. Dnes se na čip velikosti nehtu vtěsnají miliardy tranzistorů a jejich ceny poklesly na zlomek centu.

 

Toto zlepšení založené na  prosté premise, že počítačové čipy toho dokáží víc a víc a budou stát méně a méně, pomohlo Silicon Valley přinést obrovský pokrok celému světu, od osobních počítačů přes chytré telefony po širokou síť vzájemně propojených počítačů, které pohánějí internet.

 

V poslední době však zrychlování předpovězené Mooreovým zákonem kulhá. Rychlost čipů se téměř přestala zvyšovat před deseti lety, prodlevy mezi jednotlivými generacemi se protahují, cena jednotlivých tranzistorů stagnuje.

 

Odborníci na technologie nyní mají za to, že nové generace čipů budou přicházet pomalu, možná každé dva a půl až tři roky. A mají obavu, že uprostřed příští dekády může přijít vystřízlivění, poněvadž tranzistory, sestávající už jen z několika molekul, narazí na fyzikální zákony a přestanou spolehlivě fungovat. To bude konec Mooreova zákona, pokud nedojde k novému technologickému průlomu.

 

Abychom převedli podmínky Mooreova zákona do antropomorfních pojmů: „Šedne a stárne,“ říká technologický ředitel výrobce komunikačních čipů Broadcom Henry Samueli. „Ještě není mrtvý, ale ošetřovatelku bychom už mu shánět měli.“

 

V roce 1995 dr. Moore zákon upravil a konstatoval, že ke zdvojnásobení bude docházet v dvouletých intervalech. I tak je ale překvapen, jak dlouho jeho předpověď vydržela. „Původní předpověď byla na deset let a tehdy mi to přišlo moc,“ prohlásil vědec nedávno na konferenci v San Francisku, jež se konala právě na oslavu padesáti let existence zákona.

 

Ale stále zde visí ve vzduchu zlověstná otázka, co se stane, pokud magická kombinace zvyšující se rychlosti, padajících energetických nároků a nižších cen už nebude dále udržitelná.

 

Dopad bude cítit daleko za hranice počítačového průmyslu, říká Robert P. Colwell, bývalý konstruktér Intelu, jenž spoluřídil vývoj mikroprocesoru Pentium, když působil jako čipový architekt u Intelu v letech 1990 až 2000.

 

„Podívejte se například na automobily,“ říká dr. Colwell. „Co hnalo v posledních třiceti letech vpřed jejich inovace? Mooreův zákon.“ Většina inovací v automobilovém průmyslu v ovladačích motoru, ABS, navigaci, zábavních a bezpečnostních systémech má svůj původ ve stále levnějších polovodičích, vysvětluje.

 

Tyto obavy jdou tak trochu proti příběhu věčně mladého Silicon Valley. Po více než tři desetiletí odvětví tvrdí, že počítače budou rychlejší, budou mít větší kapacitu a budou čím dál rychleji levnější. Bylo to označováno za „internetový věk“, ba dokonce za singularitu, bod, v němž výpočetní výkon překoná lidskou inteligenci, tvrzení, které mnozí v Silicon Valley vyznávají s téměř náboženským zápalem.

 

Když jsou vaše myšlenky takhle vzletné, může být náraz na fyzikální hranice zdrcující.

 

„Zásadním problémem je podle mě to, že jsme se dostali za onen bod ve vývoji počítačů, kdy si lidé automaticky kupují poslední a nejlepší počítačový čip, plni důvěry, že bude lepší než to, co už mají doma,“ říká dr. Colwell.

 

Fyzikální zákony

Čipy se vyrábějí z kovových drátů a tranzistorů na polovodičové bázi – malých elektronických vypínačů kontrolujících proudění elektřiny. Nejdokonalejší tranzistory a dráty jsou menší než vlnová délka světla a nejvyspělejší elektronické vypínače jsou menší než biologický virus.

 

Čipy se vyrábějí výrobním procesem zvaném fotolitografie. Ta byla vynalezena v padesátých letech a od té doby se stále zdokonaluje. Dnes funguje tak, že paprsky ultrafialového světla jsou promítány skrze skleněné desky potažené částí vzorce obvodu vytlačeného do kovové masky připomínající mapu městských ulic.

 

Každá mapa umožňuje nasvítit na povrchu čipu jiný vzorec tak, aby bylo možné oddělit kov a polovodičové materiály, takže zbyde ultra-tenký sendvič drátů, tranzistorů a dalších komponent.

 

Tyto masky jsou používány k nasvícení stovek přesných kopií každého čipu, které jsou pak usazovány na naleštěné pláty křemíku, které mají v průměru zhruba 30 centimetrů.

 

Stroje zvané „krokovače“, které stojí kolem 50 milionů dolarů jeden, pohybují maskou po plátu a opakovaně nasvěcují každý vzorec obvodu povrchu plátku a střídavě ukládají a odleptávají kovové a polovodičové komponenty.

 

Hotový počítačový čip může vyžadovat až 50 kroků expozice a maska musí padnout naprosto přesně. Každý krok zvyšuje možnost chyb.

 

„Pracoval jsem na mnoha částech polovodičového procesu,“ říká Alan R. Stivers, fyzik, jehož kariéra v Intelu začala v roce 1979 a který před odchodem do penze v roce 2007 pomáhal uvést desítku generací polovodičů. „Litografie je zdaleka nejtěžší.“

 

Aby výrobci čipů mohli vybudovat zařízení, která jsou menší než vlnová délka světa, museli zavést řadu triků jako „ponorná“ litografie, která používá vodu k ostřejšímu lomu světla a zvýšení rozlišení. Též zavedli techniku nazvanou litografie „mnohačetných vzorců“, která používá separátní kroky s maskami pro dosažení ostřejších hran a dalšímu zeslabení kovových drátů a jiných čipových komponent.

 

S tím, jak se velikost komponent smrskla na několik molekul, se konstruktéři obrátili pro pomoc k počítačové simulaci, jež ovšem vyžaduje obrovský výpočetní výkon. „V podstatě se snažíte obalamutit fyzikální zákony,“ říká Walden C. Rhines, šéf společnosti Mentor Graphics z Wilsonville v Oregonu vyvíjející software pro automatizaci.

 

Pokud je škálování poprvé popsané dr. Engelbartem u konce, jak se mohou velcí výrobci čipů vyhnout konci Mooreova zákona? Mohou využít softwaru nebo nových designů čipů, které dostanou ze stejného počtu tranzistorů vyšší výpočetní výkon.

 

A existuje naděje, že stejná kreativita, které držela Mooreův zákon při životě tak dlouho, bude moci i teď zajistit další pokroky čipové technologie.

 

Je-li slovy Davida M. Brookse z Harvardovy univerzity křemík „plátnem, na které malujeme,“ mohou konstruktéři rozhodně udělat víc než jen zmenšovat plátno.


6th_Gen_Intel_Core_die_flat_1000.jpg

Křemík by rovněž mohl ustoupit exotickým materiálům pro výrobu rychlejších a menších tranzistorů a nových druhů paměťových úložných zařízení; stejně tak by se namísto elektronických komunikačních spojení mohla používat optická, říká Alex Lidow, fyzik, který je zároveň šéfem společnosti Efficient Power Conversion Corporation, jež sídlí v kalifornském El Segundo a zabývá se výrobou specializovaných čipů.

 

Existuje několik kandidátů na revoluci, například kvantové počítače, které – pokud se ukáží jako praktické – by mohly výrazně urychlit zpracování informací, a spintronika, která v budoucnosti možná přesune výpočetní operace na úroveň komponentů velikosti atomu.

 

V nedávné době se objevila vlna optimismu ohledně nové techniky výroby zvané litografie extrémně ultrafialovým zářením neboli EUV litografie. Ta pracuje se světelnými vlnami v délce desetiny nejkratších vln tvořících světelné spektrum. Pokud se osvědčí, umožní ještě menší kabely, navíc výrazně zjednoduší proces výroby čipů.

 

Pro komerční využití však nebyla technologie dosud ověřena.

 

ASML, nizozemský výrobce krokovačů částečně vlastněných Intelem, letos prohlásil, že obdržel významnou objednávku na EUV krokovače od klienta ze Spojených států a většina lidí z oboru se domnívá, že jde o Intel. To by znamenalo, že Intel má před zbytkem odvětví výrazný náskok.

 

Představitelé Intelu – na rozdíl od hlavních konkurentů jako Samsung a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company neboli TSMC – tvrdí, že budou schopni vyrábět v dohledné budoucnosti stále levnější čipy a vyvracejí názor, že cena tranzistorů stagnuje.

 

I když ale v Intelu věří, že dokáží vzdorovat měnící se realitě zbytku odvětví, přece jen zcela nedokázali popřít zákony fyziky.

 

„Intel neví, co dělat s blížícím se koncem Mooreova zákona,“ prohlásil dr. Colwell.

 

V červenci Intel prohlásil, že uvedení technologie 10nm (pro srovnání, lidský hlas je silný zhruba 75 000 nanometrů) odsune do roku 2017. Zpoždění znamená rozchod s tradicí společnosti uvádět na trh generace s menšími dráty a tranzistory jeden rok a novými funkcemi rok na to.

 

„Poslední dva technologické přechody naznačily, že naše kadence je bližší dvou a půl letům než dvěma letům,“ řekl generální ředitel Intelu Brian Krzanich během konferenčního hovoru s analytiky.

 

Už žádné jízdy načerno

Z optimistické perspektivy na tyto problémy můžeme říct, že zpomalení vývoje čipů povede k větší konkurenci a kreativitě. Mnoho výrobců polovodičů nedisponuje špičkovými továrnami, které si staví čtyři výrobci čipů: GlobalFoundries, Intel, Samsung a TSMC.

 

Zpoždění mohou umožnit ostatním výrobcům čipů konkurovat na trzích, které nevyžadují špičkový výkon, prohlásil David B. Yoffie, profesor na Harvard Business School.

 

A dokonce pokud zmenšující se velikost tranzistoru neučiní procesory rychlejší a levnější, minimálně sníží objem spotřebovávané energie.

 

Ultra energeticky úsporné počítačové čipy, které se začnou objevovat na konci této dekády, nebudou v některých případech dokonce potřebovat ani baterie – budou poháněné solární energií, vibracemi, radiovými vlnami nebo třeba potem. Mnoho z nich bude mít podobu sofistikovaných čidel, bezdrátově vetkaných do centralizovaných výpočetních systémů ve výpočetním cloudu.

 

K jakým produktům tyto čipy povedou? To ještě nikdo neví, nicméně konstruktéři produktů budou nuceni změnit své uvažování o tom, co vyvíjejí, namísto, aby jen čekali na to, až budou čipy výkonnější. Díky Mooreově zákonu se počítače zmenšovaly a zmenšovaly, nicméně v zásadě zůstávaly u stejného konceptu čipů, hardwaru a softwaru v uzavřené krabici.

 

„Návrháři v minulosti byli líní,“ říká Tony Fadell, konstruktér, jenž vedl tým, který navrhl původní iPod a následně řídil hardwarový design iPhonu, než založil firmu Nest Labs, která vyvíjí zařízení pro chytrou domácnost jako termostaty a detektory kouře.

 

Carver Mead, fyzik, který původně přišel se souslovím Mooreův zákon, s tím souhlasí. „Vlastně jsme se vezli zadarmo. Je to šílené, ale teď se nám to vrátilo.“

 

A skutečně, Mooreův zákon by mohl klidně platit další desetiletí. A pokud nebude, pak budou muset lidi začít být kreativnější.

 

Článek Johna Markoffa je převzatý z New York Times