В 1971 году Intel, в то время никому не известная фирма в юго-западном районе Сан-Франциско, позже ставшем известным как Кремниевая долина, выпустила чип под названием 4004. Он стал первым в мире коммерчески доступным микропроцессором, т.е. полупроводниковым прибором, содержащим в едином компактном корпусе все необходимые для быстрого выполнения вычислений электронные схемы.
В 2015 году Intel, к тому времени уже ведущий мировой производитель чипов с доходом более $55 млрд, выпустила свои чипы Skylake. Фирма перестала публиковать точные цифры, но предположительно новый чип содержит от 1,5 до 2 млрд транзисторов. Размер каждого транзистора составляет 14 нанометров. Они настолько малы, что буквально невидимы глазу, поскольку более, чем на порядок, меньше длины волны света видимого спектра.
Не вызывает сомнений утверждение, что современные компьютеры лучше, чем старые. Но то, насколько они стали лучше, трудно передать. Ни одна другая технология не сравнится с ними по темпам развития. Наиболее понятной аналогией может быть автомобиль. Если бы прогресс автомобилестроения начиная с 1971 продвигался теми же темпами, что и компьютерные чипы, то к 2015 году новые модели позволяли бы развивать скорость до 420 миллионов миль в час. То есть примерно две трети скорости света. Достаточно быстро, чтобы обогнуть мир менее чем за одну пятую секунды. Если считаете, что такие автомобили все еще не достаточно быстрые для вас, дождитесь конца 2017 года. Новые модели смогут разгоняться до скорости в два раза большей, чем сейчас.
Такой взрывной характер прогресса является следствием открытия, сделанного в 1965 году одним из основателей компании Intel Гордоном Муром. Мур заметил, что количество компонентов, которые могут быть размещены в интегральной схеме, ежегодно удваивается. Позже внесена поправка — каждые два года. «Закон Мура» стал самоисполняющимся пророчеством, которое задает темп всей компьютерной индустрии. Каждый год, фирмы, такие как Intel и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company тратят миллиарды долларов, чтобы выяснить, как уместить еще больше компонентов в ограниченные размеры компьютерных чипов. Заодно закон Мура помог построить мир, в котором чипы стали встраиваться во все, от чайников до автомобилей (которые уже научились обходиться без водителей), миллионы людей могут отдохнуть в виртуальных мирах, на финансовых рынках играют алгоритмы, а ученые мужи обеспокоены тем, что искусственный интеллект в скором времени займет все рабочие места.
В тоже время потенциал роста практически исчерпан. Уменьшать размеры компонентов микросхемы становится все труднее. Современные транзисторы размером в считанные десятки атомов просто не оставляют инженерам места для маневра. С момента выпуска чипа 4004 серии и до середины 2016 года закон Мура сработал 22 раза. При сохранении темпов развития к 2050 году закон Мура должен сработать еще 17 раз, прежде чем инженеры столкнуться с проблемой, каким образом создавать компьютеры из компонентов меньше атома водорода, самого маленького элемента на земле. Но это физически невозможно.
Впрочем, законы бизнеса заведут в тупик закон Мура прежде, чем это сделают законы физики. Уменьшение размеров транзисторов уже не является тем преимуществом, каким оно было раньше. Закон Мура проистекает из родственного явления, называемого «масштабированием Деннарда» (в честь Роберта Деннарда, инженера IBM, первым озвучившим эту мысль в 1974 году), которое гласит, что сокращение компонентов чипа приводит к увеличению его быстродействия, которое влечет за собой появление менее энергоемких и дешевых способов его производства. Чипы с меньшим размером компонентов, а значит и более быстродействующие чипы, являлись тем мотиватором, с помощью которого компьютерная индустрия смогла убедить потребителей раскошеливаться на покупку последних моделей каждые несколько лет. Но старая магия исчезает.
Уменьшение размеров чипа больше не делает его быстрее и эффективнее, как это было раньше. Одновременно с этим рост стоимости ультра-сложного оборудования, необходимого для производства процессоров размывает финансовые выгоды. Второй закон Мура, не такой широко известный, как первый, утверждает, что стоимость «литья», так на сленге называется процесс изготовления чипа, удваивается каждые четыре года. В настоящее время даже небольшое улучшение влечет затраты в $10 млрд. Это колоссальная сумма даже для Intel.
В итоге эксперты Кремниевой долины пришли к выводу, что закон Мура практически себя исчерпал. «С экономической точки зрения, закон Мура уже мертв,» говорит Линли Gwennap, глава аналитической фирмы Silicon Valley. Дарио Джил, руководитель IBM в сфере разработок, столь же откровенен: «Хочу заявить категорически. Будущее вычислительной техники больше не зависит от закон Мура.» Боб Колвелл, бывший дизайнер чипов Intel, считает, что промышленность в состоянии к 2020 году создать чип с размером компонентов в пять нанометров: «Но вам придется постараться, чтобы убедить меня, что они перешагнут этот рубеж».
Одна из самых мощных технологических сил в последние 50 лет, иными словами, в скором времени запустить свой курс. Тезис, что процесс улучшения и удешевлениея компьютеров будет только ускоряться будоражит в умах людей мысли о будущем. Он лежит в основе многих технологических прогнозов, от беспилотных автомобилей до совершенного искусственного интеллекта, не говоря уже о таких повседневных вещах, как электронные гаджеты. Кроме уменьшения размеров компонентов компьютера существуют и другие способы сделать их лучше. Конец закона Мура не означает, что компьютерная революция остановится. Но это означает, что предстоящие десятилетия будет значительно отличаться от предыдущих, ибо ни одна из существующих альтернативных технологий не является столь же надежной и повторяемой, как технология уплотнения в последние полвека.
Закон Мура сделал компьютеры миниатюрными, превращая их из комнаты, заполненной исполинами, в компактные помещающиеся в кармане плитки. Он делает их еще и более экономичными. Смартфон, который вмещает в себя больше вычислительной мощности, чем любой из компьютеров в 1971 году, может работать сутки, а то и больше, без подзарядки. Но увеличение быстродействия компьютеров является самым известным эффектов этого закона. К 2050 году, когда закон Мура уже покроется мхом истории, инженерам придется найти новые способы увеличения быстродействия компьютеров.
Кое-что доступно уже сейчас. Одним из таких решений является оптимизация программирования. Ускорение под действием закона Мура аппаратных средств в прошлом вынуждало софтверные компании сокращать время на разработку и отладку своих продуктов перед выпуском на рынок. Понимание того, что их клиенты будут покупать более быстрые машины каждые несколько лет, снизили этот стимул еще больше. Самый простой способ ускорить медленный код — это просто подождать год-другой, пока не появится «железо» достаточной производительности, чтобы наверстать упущенное. По мере исчерпания потенциала закона Мура, короткие циклы выпуска продуктов компьютерной индустрии могут начать удлиняться, давая программистам больше времени для отладки и полировки кода.
Другое решение заключается в разработке таких чипов, которые будут перекладывать часть своей работы на вычислительные мощности узкоспециализированных аппаратных средств. Современные чипы уже начинают классифицироваться по применению в специализированных схемах для ускорения общих задач. Это может быть декомпрессия видео, в рамках которой выполняются сложные вычисления, необходимые для шифрования или рисования сложной 3D-графики, используемой в видеоиграх. Поскольку компьютеры используются повсеместно, такие специализированные микропроцессоры будут очень полезными. Беспилотные автомобили, например, все чаще будут использовать машинное зрение, с помощью которого компьютеры смогут интерпретировать образы реального мира, классифицировать объекты и извлекать информацию. Это вычислительно сложная задача, и специализированные схемы смогут обеспечить значительный прирост производительности.
Тем не менее, чтобы вычислительная мощность продолжала расти теми темпами, к которым все уже привыкли, необходимо придумать что-то более радикальное. Одна из идей заключается в том, чтобы попытаться сохранить закон Мура, переместив его в третье измерение. Современные чипы имеют по сути двухмерную структуру. Однако исследователи играют с чипами, располагая их компоненты друг над другом. Даже если плотность таких чипов перестанет сокращается, их многоуровневая конструкция позволила бы разработчикам вместить большее количество компонентов, так же, как многоэтажка может вместить больше людей, чем малоэтажный коттедж, при одинаковом пятне застройки.
Первые такие устройства уже поступают на рынок. Samsung, крупная южнокорейская фирма на рынке микроэлектроники, продает жесткие диски, чипы памяти которых укладываются в несколько слоев. Такая технология имеет огромные перспективы.
В современных компьютерах память расположена в считанных сантиметрах от процессора. На масштабах материнской платы сантиметр — длинный путь. Это означает значительные задержки всякий раз, когда новые данные должны быть извлечены. 3D-чип может устранить это узкое место путем размещения слоев логики обработки между слоями памяти. IBM считает, что 3D-чипы могут позволить разработчикам сжать суперкомпьютер, который в настоящее время заполняет здание, до размеров обувной коробки.
Но чтобы вся эта конструкция оставалась работоспособной потребуются фундаментальные изменения в конструкции самого компьютера. Современные чипы уже перегреваться, требуя наличие внушительного размера радиаторов и вентиляторов, чтобы держать их в границах безопасного температурного режима. Ситуация с 3D-чипом будет еще хуже. Площадь поверхности, доступная для отвода тепла будет расти гораздо медленнее, чем объем, который его генерирует. По той же причине, есть проблемы с передачей достаточного количества электроэнергии и данных в такой чип, чтобы обеспечить необходимый уровень питания и скорость обмена информацией. Суперкомпьютеру IBM размером с обувную коробку потребуется жидкостное охлаждение. Микроскопические каналы будут пробурены в каждом чипе, что позволит охлаждающей жидкости протекать сквозь него. По замыслу компании охлаждающая жидкость может быть использована еще и в качестве источника питания. Идея заключается в том, чтобы использовать его в качестве электролита в батарее потока, в котором электролит протекает мимо неподвижных электродов.
Существуют и более экзотические идеи. Квантовые вычисления предлагают использовать парадоксальные правила квантовой механики при создании машин, способные решать определенные типы математических задач гораздо быстрее, чем любой обычный компьютер, независимо от того, насколько он быстр и современен (правда, в решении многих других задач квантовая машина не предоставит никаких преимуществ). Их самое известное применение — взлом некоторых криптографических кодов. Однако, лучшим их применением может стать моделирование процессов квантовой химии, проблемы, насчитывающей тысячи случаев использования в производстве и промышленности, но остающейся не по силам обычным машинам.
Десять лет назад, исследования квантовых вычислений оставались исключительной прерогативой университетов. В наши дни несколько крупных фирм — в том числе Microsoft, IBM и Google — вкладывают деньги в технологии, каждая из которых обещает сделать квантовые чипы доступными в течение следующего десятилетия или два (на самом деле, любой, кто интересуется уже может поиграть с одним из квантовых чипов компании IBM удаленно, программируя его через интернет).
Канадская фирма под названием D-Wave уже продает ограниченный квантовый компьютер, который может выполнять только одну математическую функцию. Хотя пока не ясно, является ли эта конкретная машина действительно быстрее, чем неквантовые модели.
Как и 3D-чипы, квантовые компьютеры нуждаются в особом обслуживании и питании. Чтобы квантовый компьютер работал, его внутренности должны быть отрезаны от внешнего мира. Квантовые компьютеры нужно охлаждать жидким гелием до температуры близкой к абсолютному нулю, и обеспечить изощренной защитой, предохраняющей от любого, даже самого маленького импульса тепла или паразитной электромагнитной волны, которые могут разрушить хрупкое квантовое состояние, на которое в своей работе полагается квантовый компьютер.
Впрочем, каждое из этих потенциальных улучшений имеет ограничения: либо выгоды являются одноразовыми, либо они применимы только в определенных видах расчетов. Великая сила закона Мура заключена в том, что он описывает улучшение всех аспектов работы чипа каждые два года с метрономной регулярностью. Прогресс в будущем будет более бессистемным, более непредсказуемым и более хаотичным. И, в отличие от тех славных дней, остается не ясно, насколько хорошо все это удастся применить к потребительским товарам. В конце концов найдется немного желающих приобрести квантовый компьютер или смартфон с криогенным охлаждением, равно как и с жидкостным, которое будет запутанным, трудным и сложным. Даже построение специализированной логики для данной задачи имеет смысл, только если она будет регулярно использоваться.
Но все три технологии будут хорошо работать в центрах обработки данных, где они помогут обеспечить развитие еще одного важного тренда на ближайшие несколько десятилетий. Традиционно, компьютер был ящиком на вашем столе или в кармане. В будущем развитие интернета и мобильных сетей даст возможность обеспечить доступ к колоссальной вычислительной мощности, имеющейся в распоряжении крупных центров обработки данных, обычным пользователям, когда им это будет необходимо. Другими словами, вычисление станет услугой, которой можно будет воспользоваться по мере необходимости, как электричеством или водой сегодня.
Возможность вынести оборудование, которое принимает на себя основную вычислительную нагрузку, за пределы куска пластика, с которым привыкли взаимодействовать пользователи — так называемое «облачное вычисление» — будет одним из самых важных направлений работы промышленности, чтобы компенсировать ослабевающее влияние закона Мура. В отличие от смартфона или ПК, коммерческие возможности которых в части увеличения габаритов ограничены, центры обработки данных можно сделать мощнее просто увеличив их размеры. Поскольку мировой спрос на вычисления продолжает расширяться, удовлетворить его можно за счет прохладных помещений в сотнях миль от пользователей, которые ими обслуживаются.
И это уже начинает происходить. Возьмите приложение подобные Siri, личный помощник с голосовым управлением от Apple. Декодирование человеческой речи и обработка команды наподобие «Siri, найди мне несколько индийских ресторанов, расположенных поблизости» требует больших вычислительных мощносте, чем iPhone имеет в своем распоряжении. Вместо этого, телефон просто записывает голос своего пользователя и передает информацию на сервер в одном из центров обработки данных Apple. После того, как удаленный компьютер нашел соответствующий ответ, он отправляет информацию обратно на iPhone.
Та же модель может быть применена к чему-то большему, чем просто смартфоны. Чипы уже проделали свой путь от просто компьютеров к беспилотным автомобилям, медицинским имплантам, телевизорам и чайникам.,И этот процесс ускоряется с каждым днем. Идея, охватывающая такое понятие как «Интернет вещей» (IoT), заключается в том, чтобы встроить вычисления в почти все мыслимые объекты.
Умная одежда будет использовать домашнюю сеть, чтобы сообщить стиральной машине настройки режимов стирки; умная тротуарная плитка будет контролировать движение пешеходов в городах и предоставлять администрации подробные карты загрязнения воздуха.
И снова проблески этого будущего уже видны: инженеры Rolls-Royce могут сейчас контролировать десятки показателей работы отдельных реактивных двигателей прямо в полете. Центры управления умными домами позволяют их владельцам контролировать все, от освещения до кухонных приборов с помощью смартфона, были популярны среди счастливчиков, ставших их обладателями раньше остальных.
Но чтобы интернет вещей смог достичь своего полного потенциала требуется найти способ, чтобы разобраться в потоках данных, которые станут генерировать миллиарды встроенных микросхем. Сами по себе чипы интернета вещей не предназначены для этой задачи. Чипу, встроенному в умную тротуарную плитку, кроме того, придется быть как можно дешевле, и менее энергозатратным, поскольку подключение отдельных постовых камней к электрической сети непрактичною. Такие чипы должны будут собирать энергию от источников тепла, давления шагов пешеходов или даже окружающего электромагнитного излучения.
Как только потенциал закона Мура иссякнет, значение слова «лучше» изменится. Помимо уже описанных выше возможностей, существует множество направлений столь же многообещающих. Огромные усилия прилагаются в направлении повышения энергоэффективности компьютеров. Это важно по нескольким причинам: потребители хотят, чтобы их смартфоны как можно дольше между подзарядкой батарей; Интернет Вещей потребует компьютеров, которые будут развернуты в местах, где сетевое напряжение отсутствует; уже существующее количество вычислений потребляет около 2{33d8302486bd10b0fde64d2037652320e6f176a736d71849c0427b0d7398501a} всего объема вырабатываемой электроэнергии мира само по себе.
Siri может выйти за пределы вашего смартфона и стать вездесущим. Искусственный интеллект проникнет (и облачные вычисления ему в этом поспособствуют) в практически любую машину, независимо от того, насколько слаб управляющий ею бортовой компьютер, чтобы дать возможность управлять ею просто разговаривая. Samsung уже делает голосовое управление телевизором.
Такие технологии, как отслеживание жестов и взгляда, пионеры современной виртуальной реальности видео-игр, также может оказаться полезным. Дополненная реальность (AR), близкий родственник виртуальной реальности, которая представляет из себя цифровой мир, накладываемый поверх реального, начнет совмещать виртуальное и реальное. Google может отправить свои очки дополненной реальности обратно на чертежную доску, но что-то из этих наработок, вероятно, найдет свое применение в один прекрасный день. И компания уже работает над электронными контактными линзами, которые могли бы выполнять аналогичные функции, будучи гораздо менее навязчивым.
Закон Мура не может работать вечно. Но за те годы, пока он был эффективен, подготовлено крепкое основание для будущих технологий. Он имел большое значение, пока ваш компьютер был прикован к коробке на вашем столе, и пока компьютеры были недостаточно быстрыми, чтобы справиться с задачами посложнее, чем набор статьи. Но прогресс все еще может случиться. Компьютер 2050 станет системой, состоящей из множества крошечных чипов, встроенных во все, от вашего кухонного стола до личного автомобилю. Большинство из них будет иметь доступ к огромному количеству вычислительной мощности, доступной через беспроводные сети, и вы будете взаимодействовать с ними, разговаривая с самой комнатой. Триллионы крошечных чипов будут разбросаны на каждом углу физической среды, что сделает мир более понятным и более отслеживаемым, чем когда-либо. Закон Мура может скоро иссякнуть. А вычислительная революция нет.
