МИКРОСХЕМЫ: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ

Изображение: xb100/Freepik

Google создала микросхему, которая за пять минут выполняет задачи, на которые у самых быстрых компьютеров мира ушло бы 10 септиллионов лет. Как отметили аналитики Всемирного экономического форума, прорыв приблизит нас к «квантовой экономике», в которую в настоящее время вкладывается более $40 млрд государственных инвестиций, согласно отчёту ВЭФ «Квантовый экономический план». Авторы доклада оценили перспективы дальнейшего развития микросхем и раскрыли связанные с этим социальные и экономические аспекты.

История микросхем началась в 1947 году с изобретения транзистора — и сегодня она развивается, чтобы удовлетворить растущие потребности в мощности и энергии технологий искусственного интеллекта. Микросхемы входят в совершенно новый мир возможностей. ИИ и его огромная потребность в мощности и скорости стимулируют новое поколение инноваций в области микросхем. В марте 2024 года калифорнийская технологическая корпорация Nvidia представила чип ИИ, который может выполнять задачи в 30 раз быстрее своего предшественника. Google создала в ответ микросхему, которая за пять минут выполняет задачи, на которые у самых быстрых компьютеров мира ушло бы 10 септиллионов лет.

Последний прорыв в области квантовых вычислений приблизил нас к «квантовой экономике», которая к 2035 году может достичь стоимости до $2 трлн, согласно анализу McKinsey. В настоящее время в технологию вкладывается более $40 млрд государственных инвестиций.

Микросхема — это набор электронных цепей на маленькой плоской кремниевой пластине, — объясняет специалист по полупроводникам ASML. — Кремний твёрдый и хрупкий, как кристалл, и является вторым по распространённости химическим элементом на Земле после кислорода. Он производится из песка и обладает уникальными электрическими и тепловыми свойствами для производства чипов.

Краткая история микросхем

Важной датой в истории микросхем является 1947 год, когда в Bell Labs, американской телекоммуникационной научно-исследовательской и опытно-конструкторской компании, известной своими новаторскими инновациями, был изобретён транзистор, ключевой предшественник микросхемы.

Транзисторы — это, по сути, крошечные переключатели, которые включают и выключают электрические токи. Сегодня крошечный чип может содержать миллиарды транзисторов, — объясняет выпуск телепрограммы BBC «Сделано на Земле».

Затем, в 1958 году, инженер-электрик компании Texas Instruments Джек Килби создал первую интегральную схему. Это был фундаментальный прорыв для современных микросхем. Интегральные схемы — это небольшие электронные чипы, состоящие из взаимосвязанных компонентов, включая транзисторы. Ещё одно важное новшество последовало в 1959 году, когда физик Роберт Нойс разработал первую практическую интегральную схему, изготовленную за один приём, которую можно было массово производить. В начале 1960-х годов НАСА способствовала развитию технологии микросхем как один из первых пользователей.

Различные типы микросхем

Универсальные чипы являются рабочими лошадками современных вычислений, предназначенными для эффективной обработки широкого круга задач. Эти интегральные схемы, такие как центральные процессоры (ЦП), содержат миллионы или миллиарды транзисторов, которые могут выполнять различные вычисления и операции. Они встречаются в таких устройствах, как персональные компьютеры, смартфоны и серверы.

Эволюция специализированных чипов привела к появлению специализированных процессоров, оптимизированных для конкретных задач, таких как графические процессоры (GPU) для рендеринга изображений и видео.

Квантовые чипы, такие как Willow от Google, представляют собой передовые технологии вычислений, использующие принципы квантовой механики для выполнения вычислений, которые обычные компьютеры либо не могут выполнить, либо на это ушли бы целые эпохи.

Нейроморфные чипы, также известные как чипы, вдохновлённые мозгом, стремятся имитировать структуру и функционирование биологических нейронных сетей. Эти чипы используют искусственные нейроны и синапсы для обработки информации таким образом, который напоминает работу человеческого мозга, часто включая такие функции, как параллельная обработка, низкое энергопотребление и встроенная память.

Как микросхемы изменили мир?

Без микросхем повседневные технологии — от интернета до карманных калькуляторов — были бы предметом научной фантастики. Микросхемы привели к появлению более компактных, мощных и энергоэффективных электронных устройств. Например, ультразвуковые сканеры обычно представляют собой большие машины, которые катаются на тележках в больницах и клиниках. Сжатие технологии микросхем означает, что теперь они доступны в виде карманных мобильных устройств.

Новая эра для микросхем

Учёные открывают новые возможности в области технологии микросхем, используя частицы света для передачи данных вместо электричества. Например, бостонская стартап-компания Lightmatter использует свет для увеличения вычислительной мощности и снижения огромного энергопотребления чипов, используемых в технологиях ИИ. Свет намного энергоэффективнее при передаче информации, чем электрические сигналы, передаваемые по проводам. Немецкий стартап Semron разрабатывает чип для локального выполнения программ ИИ на смартфонах, наушниках, гарнитурах виртуальной реальности и других мобильных устройствах.

Вместо электрических токов для выполнения вычислений — традиционного способа работы компьютерных чипов —чипы Semron используют электрические поля. Это снижает стоимость производства чипов и повышает их энергоэффективность, —заявляют в компании.

По мере развития чипов поиск более экологичной парадигмы вычислений продолжает занимать учёных по всему миру. Анализ, проведённый Квантовым энергетическим институтом, показал, что квантовые компьютеры могут обеспечить преимущество в отношении энергопотребления и водопотребления вычислений.

Как отмечается в докладе, ИИ стимулирует развитие новых типов микросхем, способных обрабатывать огромные объёмы данных. Повышение энергоэффективности микросхем является важной задачей для обеспечения устойчивого развития. Тем не менее, развитие квантовых технологий поднимает новые вопросы о безопасности, конфиденциальности и этике использования этих технологий.