Během posledních desítek let jsme si zvykli na tom, že čipy jsou stále výkonnější, menší a úspornější a to vše vždy v kombinaci pro daný formát zařízení. Složitost čipů v podobě počtu tranzistorů stoupá exponenciálně – zdvojnásobuje se každé dva roky, což si už v roce 1965 uvědomil především Gordon E. Moore, který tak dal základ populárnímu Moorovu zákonu. Původní verze uváděla zdvojnásobení každý rok, ale v roce 1975 byla projekce upravena na zdvojnásobení každé dva roky.
Konkrétní znění se může lišit a lze ho použít i pro další vlastnosti čipů, pamětí, pixelů za dolar, kapacitu sítě, rozlišení snímacích čipů a podobně. Několik desetiletí tento rychlý vývoj fungoval, ale i Intel už přiznává, že nás nyní čeká zpomalení a korekce.
Komplikace po 50 letech
Intel oznámil, že Moorův zákon narazí pod hranicí 10nm tranzistorů a i když IBM vyrobilo 7nm tranzistory a Intel má v plánu i 5nm tranzistory, jejich uvedení na trh už bude výrazně pomalejší. Výroba je čím dál složitější a dražší, což přináší právě časové komplikace.
Nejde jen o složitost čipu, ale i další vlastnosti, které mají exponenciální vývoj
Po více než 50 letech tak přichází první závažnější zpomalení, které bude znamenat komplikace v mnoha odvětvích, která dříve těžila právě z rychlého pokroku. Důvodem je to, že se musí přejít na novou technologii, která umožní vlastnosti čipů posouvat dále. Moorův zákon mluví hlavně o složitosti, ale podobný vývoj probíhá i na úrovni spotřeby. A právě na její optimalizaci se chce nyní Intel vrhnout mnohem více, než na samotné zvyšování výkonu.
Zatímco dříve byl tlak hlavně na zvyšování výkonu, v době obrovského rozmachu mobilních zařízení a extrémně úsporných datacenter a serverů je dnes důležitá hlavně spotřeba, respektive efektivita výkonu a spotřeby, nikoli pouze samotný maximální výkon.
Tunelový efekt nebo spintronika jako nejbližší trendy
Za čtyři až pět let, což odpovídá asi dvěma generacím (pravděpodobně 10 nm a 7 nm) je už Intel připraven přejít na využívání nové technologie pro výrobu čipů. I když zatím není jasné, jaká bude ta nejlepší cesta v daném časovém horizontu, už dnes se výběr zúžil na dva kandidáty – tunelový efekt (tunelové tranzistory) a spintroniku. Ani v jednom případě ale nejde o technologie, které by umožnily nějak výrazně zvýšit výkon čipů, ale jsou schopné výrazně pomoci s efektivitou a tedy i spotřebou za daný výkon.
V případě tunelových tranzistorů (TFET) neboli tranzistorů, které využívají tunelového efektu – kvantově mechanických vlastností elektronů, samotné přepínání probíhá pomocí modulování kvantového jevu skrze vrstvu. Porovnání TFET a klasického MOSFET tranzistory můžete vidět na grafu:
TFET tranzistory jsou sice blízko tomu, aby byly vyráběné v běžně dostupných čipech, mnohem blíže reálnému nasazení ale má spintronika, která se možná objeví v prvních čipech už příští rok.
Podrobný princip fungování spintronické paměti
Jak název napovídá, spintronika využívá spinu elektronu k práci s informací – uložení, zpracování a čtení. Spintronika opět znamená posun hlavně v oblasti spotřeby a tedy efektivity čipu a příští rok se s prvními čipy, které budou pracovat na této technologii, setkáme pravděpodobně u pamětí výkonných grafických karet. Dle prvních prototypů spintronických pamětí, které minulý rok ukázala například Toshiba, je možné dosáhnout až o 80 % nižší spotřeby než u běžných pamětí SRAM a to jde navíc o prototyp a první verzi.
Čekání na novou revoluci
Začíná se potvrzovat, že nás zpomalení asi čeká, avšak rozhodně to nelze považovat za konec exponenciálního technologického vývoje naší civilizace. Spíše to lze vidět jako milník, kterého bylo dosaženo se současnými materiály, výrobou a architekturou a nyní nás čeká náročnější přechod na něco zcela nového, co dovolí jít ještě níže.
Otázka ale samozřejmě zní, co přesně to bude a zda bude nová pokročilá forma technologie pro efektivnější využití hmoty pro výpočetní operace dostupná nejpozději v rámci jednotek let nebo nás čeká delší zásek. Problém totiž není, že bychom neměli dostatek nápadů, ale vše musí být možné i efektivně vyrábět s funkční ekonomikou nákladů, zisku a škálování.
Může se totiž klidně stát, že tento přechod může být podobně „řádově“ složitý jako třeba přechod z jaderného štěpení (0,1 % energie z hmoty) na termojadernou fúzi (1 % energie z hmoty). A s tímto přechodem se potýkáme už několik desítek let. Jen doufejme, že takový náročný problém nás u čipů nečeká a Moorův zákon se opět rozjede na plné obrátky.
