Die Zukunft der Computerchips: kleiner, schneller, günstiger

Dieser Artikel wurde von NetEase Technology reproduziert. Der Originaltitel lautet „Die Zukunft der Computerchips: Kleiner, schneller, billiger“

Die Online-Version der New York Times veröffentlichte einen Artikel, der die Zukunft von Computerchips analysiert. Der Artikel stellt die tiefgreifenden Auswirkungen des Mooreschen Gesetzes auf die Chipindustrie vor. Dieses Gesetz gilt jedoch möglicherweise nicht immer. Das Tempo der Chipentwicklung verlangsamt sich, was die Branche wettbewerbsfähiger macht und gleichzeitig Innovationen fördert.

Der Hauptinhalt des Artikels lautet wie folgt:

Im Jahr 1960 stellte ein junger Computeringenieur namens Douglas Engelbart auf der International Solid-State Circuits Conference auf dem Campus der University of Pennsylvania ein einfaches, aber bahnbrechendes Konzept für die Elektronikindustrie vor: die Skalierung.

Dr. Engelbart stellte die Theorie auf, dass mit der weiteren Verkleinerung elektronischer Schaltkreise die Komponenten schneller laufen würden, weniger Strom verbrauchen und ihre Herstellung billiger würde. Später wurde er aufgrund seiner Erfindung der Maus als „Vater der Maus“ bekannt und entwickelte auch andere Personal-Computing-Technologien.

Einer der Menschen im Publikum an diesem Tag wurde 1968 einer der Gründer von Intel: Gordon Moore. Im Jahr 1965 lieferte Moore eine spezifische quantitative Erklärung des Skalierungsprinzips, die einen enormen Einfluss auf das Computerzeitalter hatte. Er sagte voraus, dass sich die Zahl der Transistoren, die auf einen Chip gelötet werden könnten, über mindestens ein Jahrzehnt hinweg jedes Jahr verdoppeln würde, was letztlich zu dramatischen Verbesserungen der Computerleistung führen würde.

Seine Vorhersage, die in der Aprilausgabe 1965 des Magazins Electronics veröffentlicht wurde, wurde als Mooresches Gesetz bekannt. Dieses Gesetz ist jedoch kein echtes physikalisches Gesetz, sondern stellt Moores Beobachtung und Spekulation über die Entwicklungstendenz dieser aufstrebenden Branche dar. Im darauffolgenden halben Jahrhundert erwies sich die Richtigkeit des Mooreschen Gesetzes.

Ein Transistor, etwa so breit wie eine Baumwollfaser, kostete Anfang der 1960er Jahre etwa 8 Dollar pro Stück (inflationsbereinigt). Heute können Milliarden von Transistoren auf einen Chip von der Größe eines Fingernagels gelötet werden, und der Preis eines Transistors beträgt weit weniger als einen Cent.

Mit der Erfüllung des Mooreschen Gesetzes hat Silicon Valley bemerkenswerte Ergebnisse bei Personalcomputern, Smartphones und dem Internet erzielt.

Allerdings hat sich das vom Mooreschen Gesetz vorhergesagte Entwicklungstempo in den letzten Jahren verlangsamt. Vor einem Jahrzehnt stagnierte die Chipgeschwindigkeit, der Entwicklungszyklus für neue Generationen hatte sich verlängert und die Kosten eines einzelnen Transistors hatten sich stabilisiert.

Laut technischen Experten wird der Forschungs- und Entwicklungszyklus der nächsten Chipgeneration länger sein, möglicherweise zweieinhalb bis drei Jahre. Sie befürchten, dass Transistoren, die aus nur wenigen Molekülen bestehen, ab Mitte der 2020er Jahre nicht mehr zuverlässig funktionieren werden. Sofern es nicht zu neuen technologischen Durchbrüchen kommt, wird das Mooresche Gesetz sein Ende finden.

Henry Samueli, Technologiechef des Kommunikationschipherstellers Broadcom, verwendete eine anschauliche Metapher: Das Mooresche Gesetz altert wie ein alter Mann, dessen Haare allmählich weiß werden. „Er“ liegt nicht im Sterben, sondern steht kurz vor der Pensionierung.

Im Jahr 1995 änderte Moore den Zyklus zur Verdoppelung der Transistoranzahl auf einem Chip von einem Jahr auf eine Verdoppelung alle zwei Jahre.

Die Frage ist, was passieren wird, wenn diese drei Trends – steigende Geschwindigkeiten, sinkender Energieverbrauch und sinkende Preise – nicht alle gleichzeitig anhalten können.

Robert Colwell, ein ehemaliger Elektroingenieur bei Intel, sagte, die Situation werde Auswirkungen weit über die Computerindustrie hinaus haben. „Nehmen wir zum Beispiel die Automobilindustrie. Was war der Motor der Innovation in den vergangenen 30 Jahren? Das Mooresche Gesetz“, sagte er und wies darauf hin, dass ein Großteil der Innovationen der Branche bei Motorsteuerungen, Antiblockiersystemen sowie Navigations-, Unterhaltungs- und Sicherheitssystemen auf die sinkenden Kosten für Halbleiter zurückzuführen sei.

Doch im Silicon Valley, wo stets eine junge Mentalität vorherrscht, gibt es diese Bedenken nicht. Seit mehr als drei Jahrzehnten glaubt man im Silicon Valley, dass Computer schneller, leistungsfähiger und billiger werden. Diese Aussicht wurde als „Internetzeitalter“ beschrieben und führte sogar zur „Singularitätentheorie“. Wenn die Singularität erreicht wird, werden Computer die menschliche Intelligenz übertreffen. Viele im Silicon Valley glauben das.


Physikalische Grenzen

Chips bestehen aus Metalldrähten und Transistoren auf Basis von Halbleitermaterialien. Ein Transistor ist ein elektronischer Schalter, der den Fluss des elektrischen Stroms steuert. Die fortschrittlichsten Transistoren sind kleiner als die Wellenlänge des Lichts und die fortschrittlichsten elektronischen Schalter sind kleiner als biologische Viren.

Die Chips werden mithilfe eines fotolithografischen Herstellungsverfahrens hergestellt. Dieser Prozess begann Ende der 1950er Jahre und wurde kontinuierlich verbessert. Heute kommen bei diesem Verfahren auch UV-Laser zum Einsatz.

Was sollten große Chipunternehmen tun, wenn die von Engelbart beschriebene „Skalierung“ nicht mehr funktioniert? Sie könnten mit Software oder mit neuen Chipdesigns umgesetzt werden, die bei gleicher Transistoranzahl über eine höhere Rechenleistung verfügen. Oder führen Sie bestimmte Spezialmaterialien ein, um schnellere und kleinere Transistoren, neue Speichertypen und Glasfaser-Kommunikationsleitungen (anstelle elektronischer Kommunikationsleitungen) herzustellen.

Es liegen viele bahnbrechende Antworten vor. Wenn es beispielsweise gelingt, die Quantencomputertechnologie in die Praxis umzusetzen, könnte sie die Verarbeitungszeit erheblich verkürzen und die Entwicklung der Spinelektronik beschleunigen. Man geht davon aus, dass die Spinelektronik die Computertechnologie in Zukunft in das Zeitalter atomarer Komponenten führen wird.

In jüngster Zeit herrschte Optimismus hinsichtlich des neuen Produktionsprozesses für extrem ultraviolette Strahlung (EUV). Fernultraviolettlichtwellen sind etwa ein Zehntel der kürzesten Lichtwellen im sichtbaren Spektrum. Dadurch können kleinere Komponenten hergestellt und gleichzeitig der Chipherstellungsprozess vereinfacht werden. Die Wirksamkeit dieser Technologie wurde in der kommerziellen Produktion jedoch noch nicht nachgewiesen.

Anders als Konkurrenten wie Samsung und TSMC sind die Führungskräfte von Intel zuversichtlich, dass die Preise der von dem Unternehmen produzierten Chips in absehbarer Zukunft weiter fallen werden. Intel bestreitet die Behauptung, die Transistorpreise hätten sich stabilisiert.

Im Juli teilte Intel mit, dass die Einführung der 10-Nanometer-Technologie (zum Vergleich: ein menschliches Haar ist etwa 75.000 Nanometer breit) auf 2017 verschoben werde. Dieser Schritt stellt eine Abkehr von Intels traditioneller Praxis dar, jedes Jahr Chips mit kleineren Transistoren auf den Markt zu bringen und im darauffolgenden Jahr neue Designmerkmale einzuführen. Dies zeigt, dass Intel nicht in der Lage ist, den „absteigenden Trend“ des Mooreschen Gesetzes umzukehren. Brian Krzanich, CEO von Intel, sagte: „Der Chip-Update-Zyklus des Unternehmens liegt eher bei zweieinhalb Jahren, nicht bei zwei Jahren.“ Dies deckt sich mit den Spekulationen der oben genannten technischen Experten.

Keine Freifahrten mehr

Die Verlangsamung der Chipentwicklung wird zu einem intensiveren Wettbewerb in der Branche führen und gleichzeitig Innovationen in der Branche fördern. Derzeit dominieren GlobalFoundries, Intel, Samsung und TSMC, während die Ausrüstung vieler anderer Halbleiterhersteller nicht so fortschrittlich ist wie die der oben genannten vier Unternehmen.

David Yoffe, Professor an der Harvard Business School, meint, eine langsamere Chip-Entwicklung könne es diesen rückständigen Herstellern ermöglichen, auf Märkten wettbewerbsfähig zu bleiben, die nicht die anspruchsvollste Technologie erfordern. Auch wenn die Verringerung der Transistorgröße die Chips weder schneller noch billiger macht, kann sie dennoch den Stromverbrauch senken.

In etwa fünf Jahren wird es Computerchips mit extrem niedrigem Stromverbrauch geben, und in einigen Fällen werden sie keine Batterien mehr benötigen, da sie durch Sonnenlicht, Vibrationen, Radiowellen oder sogar Schweiß mit Energie versorgt werden können. Viele dieser Chips werden zu hochentwickelten neuen Sensoren, die drahtlos in zentrale Computersysteme in Computer-Clouds integriert werden.

Welche Art von Produkten werden diese Chips ermöglichen? Das wissen wir noch nicht. Produktdesigner werden jedoch gezwungen sein, über die Entwicklung neuer Produkte aus einer völlig neuen Perspektive nachzudenken, statt wie in der Vergangenheit passiv auf Leistungsverbesserungen der Chips zu warten. Basierend auf dem Mooreschen Gesetz wurden Computer immer kleiner, doch im Grunde blieben sie auf die ursprünglichen Designideen beschränkt und es mangelte ihnen an Innovation.

„Früher waren Designer faul“, sagte Tony Fadell, der Erfinder des Apple iPod.

„Im Grunde sind wir alle Trittbrettfahrer“, sagte Carver Mead, einer der Erfinder des Chips.

Tatsächlich wird das Mooresche Gesetz noch mindestens die nächsten zehn Jahre gelten. Wenn dies nicht der Fall ist, müssen die Menschen ihre Kreativität verbessern.

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