البحث عن نوع جديد من الحاسوب / جون بولس

إن نهاية قانون مور تقترب، ويستثمر مصنعو الرقائق المليارات في تطوير تقنيات الحوسبة الجديدة

في قاعة مؤتمرات صغيرة بلا نوافذ في المقر الرئيسي للبحث والتطوير لشركة إنتل، الشركة المصنعة الأكثر نفوذاً للمعالجات الدقيقة وأشباه الموصلات في العالم، يشرح مارك بور بهدوء أن قانون مور الشهير قد مات منذ زمن طويل. قد يبدو هذا مفاجئًا نظرًا لأن بور، الذي يدير هندسة العمليات ومجال التكامل في الشركة، يعمل عمليًا في مجال قانون مور: وظيفته هي إيجاد طريقة لجعل ترانزستورات إنتل، التي يبلغ عرضها 14 نانومتر، أصغر بمرتين في غضون عشر سنوات. . لكن بور لا يرمش خلف الإطار المستدير لنظارته: "عليك أن تفهم أن عصر التصغير التقليدي للترانزستورات، حيث تأخذ الهيكل والمواد الأساسية وتصغرها، قد انتهى منذ حوالي عشر سنوات."
في عام 1965، نشر جوردون مور، الذي كان آنذاك مدير البحث والتطوير في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات، الوثيقة بعنوان صريح: "ضغط المزيد من المكونات في دوائر متكاملة". وتوقع مور أن عدد الترانزستورات التي يمكن وضعها على الشريحة بتكلفة مثالية سوف يتضاعف كل عام. وبعد عشر سنوات، قام بتحديث توقعاته، وأصبح "قانون مور" المعروف: عدد الترانزستورات في شريحة الكمبيوتر سوف يتضاعف كل عامين.
الدوائر المتكاملة هي التي تجعل الكمبيوتر يعمل، وتطبيق قانون مور هو ما يجعل أجهزة الكمبيوتر تتطور. الترانزستورات هي "ذرات" الحساب الإلكتروني: مفاتيح صغيرة تشفر كل 0 و1 في ذاكرة الكمبيوتر ومنطقه على شكل اختلافات في الجهد الكهربائي. لذلك، إذا قمت بمضاعفة عدد الترانزستورات في منطقة مادية معينة، فيمكنك مضاعفة كمية الحسابات التي يمكن إجراؤها بنفس التكلفة. كان أول معالج دقيق للأغراض العامة من إنتل، 8080، أحد المحفزات لثورة الكمبيوتر الشخصي عندما وصل إلى السوق في عام 1974. ويحتوي قضيب السيليكون الذي يبلغ طوله خمسة سنتيمترات على 4,500 ترانزستور. حتى كتابة هذه السطور، تحتوي وحدات المعالجة المركزية للخوادم المتطورة (CPUs) من Intel، والتي تعد أكثر الرقائق كثافة في السوق، على 4.5 مليار ترانزستور لكل وحدة. في منشآت التصنيع التابعة لشركة Intel ("Pab") في هيلسبورو بولاية أوريغون، فإن عملية التصنيع الأكثر تقدمًا قادرة على الحرق على خطوط ركيزة من السيليكون يبلغ حجمها 14 نانومتر فقط: وهي أضيق من الجراثيم البكتيرية. هذه الزيادة الهائلة في كثافة الترانزستور حولت محركات الحوسبة التي تعمل بالأنبوب المفرغ والتي كانت بحجم غرفة في منتصف القرن العشرين إلى عجائب السيليكون المصغرة في أوائل القرن الحادي والعشرين.
لكن حتى قانون مور ينهار تحت ضغط قوانين الفيزياء، وخلال عشر سنوات لن تكون هناك إمكانية للحفاظ على هذا المعدل غير المسبوق من التصغير. ولذلك، فإن صانعي الرقائق مثل Intel وIBM وHewlett-Packard (HP) يستثمرون المليارات في البحث والتطوير للتعامل مع عالم ما بعد قانون مور. ويتطلب هذا التخلي عن الافتراضات الأساسية حول كيفية عمل التكنولوجيا لدينا. هل يجب أن تكون شريحة الكمبيوتر عبارة عن مجموعة ثنائية الأبعاد من الأسلاك المخبوزة في السيليكون؟ لا تعتقد شركة IBM ذلك، وهي تدرس بعمق إمكانية استخدام الأنابيب النانوية المصنوعة من الكربون والجرافين كركيزة للحوسبة. وماذا عن الإلكترونات، هل هي ضرورية؟ وتراهن IBM وHP أيضًا على الضوئيات، حيث تحل ومضات الضوء القصيرة محل الفولتية الكهربائية.
تذهب HP إلى أبعد من ذلك: تريد الشركة توسيع النظرية الأساسية للإلكترونيات. قام مهندسو الشركة ببناء نموذج أولي لجهاز كمبيوتر، أطلق عليه الاسم الرمزي "الآلة"، والذي يستفيد من "الحلقة المفقودة" للإلكترونيات: استعادة الذاكرة. هذا المكون، الذي تم وصفه رياضيًا منذ عقود مضت ولكن تم تطويره مؤخرًا، يتيح الجمع بين ميزات التخزين وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) للكمبيوتر. بفضل الذاكرات، فإن الاستعارة الشائعة لوحدة المعالجة المركزية باعتبارها "عقل" الكمبيوتر ستكون أكثر دقة من الترانزستورات، لأن الذاكرات تعمل بشكل أشبه بالخلايا العصبية: فهي تنقل المعلومات وتشفرها، بالإضافة إلى تخزينها. مثل هذا الجمع بين الذاكرة المتطايرة والتخزين طويل المدى يمكن أن يزيد بشكل كبير من الكفاءة ويقلل من "عنق الزجاجة فون نيومان"، الذي حد من الحوسبة لمدة نصف قرن.
لن تتمكن أي من هذه التقنيات من استبدال أو حتى تعزيز الرقائق الموجودة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية لدينا في السنوات القادمة. ومع ذلك، بحلول نهاية العقد، يجب أن يصل واحد منهم على الأقل إلى مستوى من الأداء الحسابي يسمح له باستبدال هندسة دوائر السيليكون التقليدية، عندما يصل إلى نهايته الحتمية. والسؤال هو أي من التقنيات، ومتى.

ما وراء السيليكون

فكرة قانون مور بسيطة: إن خفض الترانزستورات إلى النصف يعني ضعف الأداء الحسابي وبنفس التكلفة. ومن الناحية العملية، كانت القصة دائمًا أكثر تعقيدًا. ربما تنبأ مور في بحثه عام 1965 بما سيحدث لكثافة الترانزستور كل عامين، لكنه لم يشرح كيف ستؤدي هذه الكثافة المتزايدة إلى مضاعفة الأداء. استغرق الأمر تسع سنوات أخرى حتى نشر روبرت دينارد، وهو عالم في شركة آي بي إم، تفسيرًا يُعرف اليوم باسم "مقياس دينارد". في هذا التفسير، وصف كيف أن كثافة طاقة الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs)، وهي التكنولوجيا السائدة في عام 1974، ظلت ثابتة حتى عندما أصبحت أصغر. بمعنى آخر، تقلص الترانزستورات يعني أن الجهد الكهربائي والتيار اللازمين لتشغيلها ينخفض ​​أيضًا.

لمدة ثلاثين عامًا، كان مقياس دينارد بمثابة القوة الدافعة السرية وراء قانون مور، مما يضمن التحسينات المستمرة في أداء الكمبيوتر الذي ساعد الأشخاص على بدء الأعمال التجارية، وتصميم المنتجات، وعلاج الأمراض، والتنقل في المركبات الفضائية، وإضفاء الطابع الديمقراطي على الويب. ثم توقف الميزان عن العمل. وبمجرد أن بدأت منشآت الإنتاج بحرق إشارات سيليكون أصغر من 65 نانومتر (حوالي نصف طول فيروس نقص المناعة البشرية)، اكتشف مصممو الرقائق أن الإلكترونات بدأت "تتسرب" من ترانزستوراتها بسبب تأثيرات ميكانيكا الكم. لقد أصبحت الأجهزة أصغر من أن تتحول بشكل موثوق من وضع "التشغيل" إلى "إيقاف التشغيل"، وأصبح الكمبيوتر الرقمي الذي لا يستطيع التمييز بين 0 و1 في مشكلة خطيرة. اكتشف الباحثون في IBM وIntel أيضًا "حاجز التردد"، الذي يحد من السرعة التي يمكن أن تؤدي بها وحدة المعالجة المركزية القائمة على السيليكون عمليات منطقية، ما يقرب من أربعة مليارات عملية في الثانية، دون ارتفاع درجة الحرارة.

من الناحية الفنية، من الممكن أن يستمر قانون مور (وهذا ما حدث): استمرت شركة إنتل في حشر ترانزستورات أصغر فأصغر في ركائز السيليكون الخاصة بها كل عامين، لكن ذلك لم يترجم مباشرة إلى أجهزة كمبيوتر أرخص وأسرع.

منذ عام 2000، واجه مهندسو الرقائق هذه العقبات، وقاموا بتطوير حلول معقدة. لقد تمكنوا من تجاوز حاجز التردد من خلال إنشاء شرائح متعددة النواة (سوف يحترق المعالج بسرعة 10 جيجا هرتز، لكن أربعة أو ثمانية أو ستة عشر معالجًا تعمل بسرعة 3 جيجا هرتز لن تتضرر). وقاموا بسد الترانزستورات المتسربة بـ"بوابات ثلاثية" تتحكم في التيار الكهربائي من ثلاث جهات بدلا من جهة واحدة فقط. لقد قاموا أيضًا ببناء أنظمة تسمح للمعالجات بالاستعانة بمصادر خارجية للمهام الصعبة بشكل خاص لمساعدين مخصصين (على سبيل المثال، تتم إدارة شاشة iPhone 6 بواسطة معالج رسومات مخصص رباعي النواة). لكن كل هذه التصحيحات لا تغير حقيقة أن عصر الأجهزة المصنوعة من السيليكون المتقلصة لا يزال على بعد أقل من عقد من الزمن.

ولهذا السبب يبحث بعض مصنعي الرقائق عن طرق للتخلص من السيليكون. في عام 2014، أعلنت شركة آي بي إم أنها خصصت ثلاثة مليارات دولار للأبحاث المحمومة في أشكال مختلفة من الحوسبة خارج نطاق السيليكون. المادة التي تركز عليها الدراسة هي الجرافين: صفائح من الكربون يبلغ سمكها ذرة واحدة فقط. مثل السيليكون، يتمتع الجرافين بخصائص مفيدة للإلكترونيات التي تظل مستقرة في نطاق واسع من درجات الحرارة. وهناك ميزة أخرى وهي أن الإلكترونات تمر عبره بسرعات نسبية، والميزة الأهم هي أن أجهزة الجرافين تتعامل أيضًا مع التغيرات في الحجم، على الأقل في المختبر. لقد تم بالفعل بناء الترانزستورات من الجرافين القادرة على العمل بسرعات أكبر بمئات وآلاف المرات من أجهزة السيليكون الرائدة، مع كثافة طاقة معقولة، حتى أقل من عتبة الخمسة نانومتر حيث يستسلم السيليكون للتأثيرات الكمومية.

ما يفتقده الجرافين مقارنة بالسيليكون هو "فجوة النطاق"، وهو فرق الطاقة بين المدارات التي ترتبط فيها الإلكترونات بالذرة، وتلك التي تكون فيها الإلكترونات حرة في الحركة وتسبب التوصيل الكهربائي. في المعادن، على سبيل المثال، لا توجد مثل هذه الفجوة: فهي موصلات "نقية". بدون فجوة الطاقة هذه، من الصعب جدًا إيقاف التدفق وتحويل الترانزستور من وضع التشغيل إلى وضع الإيقاف، لذلك لا يمكن لترانزستور الجرافين تشفير المنطق الرقمي بشكل موثوق. يعترف سوبرتيك جوها، مدير العلوم الفيزيائية في مركز أبحاث توماس ج. واتسون التابع لشركة آي بي إم: «كنا روادًا في هذا المجال، لكن النتائج التي حصلنا عليها باستخدام الجرافين لم تكن مشجعة. يجب أن تكون رخيصة جدًا وتوفر أيضًا ميزة فريدة لتحل محل المواد الموجودة. فهو يحتوي على ميزات مثيرة جدًا للاهتمام، لكننا لم نتمكن من تحديد التطبيق الفائز فيه.

قد تكون الأنابيب النانوية الكربونية أكثر نجاحًا. عندما يتم دحرجة صفائح الجرافين في أسطوانات مجوفة، يتم إنشاء فجوة شريطية صغيرة فيها، مما يمنحها خصائص أشباه الموصلات المشابهة لتلك الخاصة بالسيليكون. وهذا يعيد فتح إمكانية استخدامها لإنشاء ترانزستورات رقمية. يقول جوها: "نحن متفائلون وحذرون". "كأجهزة فردية، فإن أنابيب الكربون النانوية بمقياس عشرة نانومتر تؤدي أداءً أفضل من أي شيء آخر متاح. واستنادًا إلى عمليات المحاكاة لدينا لأنظمة الحوسبة التي تستخدم أنابيب الكربون النانوية، يمكننا أن نتوقع تحسنًا بمقدار خمسة أضعاف [مقارنة بالسيليكون] في الأداء أو كفاءة الطاقة.
لكن أنابيب الكربون النانوية هي هياكل حساسة. إذا تغير قطر الأنبوب، أو عدم انطباقه (الزاوية التي يتم "تدحرج" الذرات عندها)، ولو بشكل طفيف، فقد تختفي الفجوة بين الخطوط وسيصبح عديم الفائدة كأحد مكونات الدائرة الرقمية. وسيتعين على المهندسين أيضًا إيجاد طريقة لوضع مليارات الأنابيب النانوية في صفوف مرتبة وبمسافة بضعة نانومترات، باستخدام نفس التكنولوجيا التي تعتمد عليها مرافق تصنيع السيليكون اليوم. يقول جوها: "لكي تكون أنابيب الكربون النانوية خلفًا جديرًا للسيليكون، نحتاج إلى حل كل هذه المشكلة في غضون عامين إلى ثلاثة أعوام".

كسر حاجز الذاكرة

"ما هي أغلى العقارات على وجه الأرض؟" يسأل أندرو ويلر. "هنا هنا." ويشير إلى صندوق مرسوم بقلم تحديد أسود على لوحة ممحاة، وهو يمثل قطعة السيليكون داخل الشريحة. يبدو ويلر، وهو رجل طويل القامة، نحيف، ذو فك مربع ويرتدي بنطال جينز وقميصًا قطنيًا منقوشًا، أشبه براعي بقر سابق أكثر من كونه نائب رئيس مختبرات HP، الذراع البحثية لشركة Hewlett-Packard. ويوضح أنه من الناحية العملية، فإن معظم الترانزستورات التي تشغل هذه المساحة الثمينة لا تُستخدم للحوسبة، بل لـ "الذاكرة المؤقتة"، أو ذاكرة الوصول العشوائي الساكنة (SRAM)، التي تتمثل وظيفتها بأكملها في تخزين التعليمات التي يتم الوصول إليها بشكل متكرر. هذا هو المعادل السيليكوني لسطح مكتب الكمبيوتر الشخصي: المكان الذي تضع فيه الأشياء التي لا تريد البحث عنها مرارًا وتكرارًا. ويريد ويلر أن تختفي هذه الذاكرة – ولكن ذلك عاجلاً وليس آجلاً، وفي هذه المرحلة سوف يكتفي بالتخلص من القرص الصلب والذاكرة الرئيسية للكمبيوتر.
وفقًا لشركة HP، فإن هذه العناصر الثلاثة، والمعروفة مجتمعة باسم "التسلسل الهرمي للذاكرة" مع SRAM في الأعلى ومحركات الأقراص الثابتة في القاعدة، هي المسؤولة عن معظم المشكلات التي يواجهها المهندسون الذين يتعاملون مع قانون مور. المعالجات الأسرع لا فائدة منها بدون ذاكرة سريعة ذات سعة كبيرة لتخزين البتات ونقلها بأسرع ما يمكن.
لكسر "حاجز الذاكرة" هذا، قام فريق ويلر في بالو ألتو، كاليفورنيا بتصميم نوع جديد من أجهزة الكمبيوتر، "الآلة"، التي تحاول الهروب من قيود التسلسل الهرمي للذاكرة من خلال دمجها في طبقة واحدة. في التسلسل الهرمي للذاكرة، تتفوق كل طبقة في أشياء معينة وتفشل في أشياء أخرى. SRAM سريعة للغاية، لذا يمكنها مواكبة وحدة المعالجة المركزية، ولكنها متعطشة للطاقة وسعة منخفضة. الذاكرة الرئيسية، ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)، سريعة جدًا وكثيفة ومتينة، وهو أمر جيد لأنها الركيزة التي يقوم الكمبيوتر بتشغيل التطبيقات النشطة عليها. لكن انقطاع التيار الكهربائي يتسبب في اختفاء جميع محتوياته، لذا فإن وسائط التخزين "غير المتطايرة"، مثل محركات الأقراص المحمولة ومحركات الأقراص الثابتة، مطلوبة لتخزين البيانات على المدى الطويل. تتميز هذه الأجهزة بقدرة عالية واستهلاك منخفض للطاقة، ولكنها بطيئة للغاية، كما أن ذاكرة الفلاش تبلى بسرعة كبيرة. نظرًا لأن مزايا وعيوب أنواع الذاكرة المختلفة تكمل بعضها البعض، فإن أجهزة الكمبيوتر الحديثة تجمعها بحيث تتمكن المعالجات من نقل المعلومات لأعلى ولأسفل في التسلسل الهرمي بأكبر قدر ممكن من الكفاءة. يقول ويلر: "إنها أعجوبة هندسية، ولكنها أيضًا نفايات هائلة".

يقول ويلر إن الذاكرة العالمية، التي تجمع بين سرعة SRAM، ومتانة DRAM وقدرة فلاش وكفاءة استخدام الطاقة، كانت تعتبر الكأس المقدسة للمهندسين والمصممين والمبرمجين لعقود من الزمن. تستخدم "الآلة" مكونًا إلكترونيًا يسمى الممرستور، لتلبية المطلبين الأخيرين. اسم هذا المكون هو اختصار باللغة الإنجليزية لـ "المقاوم ذو الذاكرة"، وذلك لقدرته على توصيل الكهرباء حسب كمية التيار الذي يمر عبره من قبل. رياضياً، تم التنبؤ به في عام 1971، ولفترة طويلة كان يُعتقد أنه من المستحيل بنائه. لكن في عام 2008 أعلنت شركة HP أنها نجحت في بناء جهاز مرمم للذاكرة العاملة. تم وضع برنامج البحث على المسار السريع وأصبح الأساس لـ "الآلة".
إن التعرض لفترة وجيزة لخلية ذاكرة من نوع الممرستور إلى جهد كهربائي يمكن أن يغير حالة توصيلها، وبالتالي إنشاء فصل واضح بين "التشغيل" و"الإيقاف" الضروري لتخزين المعلومات الرقمية. على غرار ما يحدث في ذاكرة الفلاش، يتم الحفاظ على حالة المكون حتى عندما يتوقف التيار، وكما هو الحال في ذاكرة DRAM، يمكن أن تكون الخلايا مزدحمة للغاية، ويمكن القراءة منها والكتابة إليها بسرعة عالية.

ومع ذلك، لتحقيق أداء على مستوى SRAM، يجب وضع خلايا مقاومة الذاكرة بجوار المعالج الرئيسي، على نفس قطعة السيليكون، وهو ترتيب غير عملي فيزيائيًا في تكنولوجيا اليوم. وبدلاً من ذلك، تخطط HP لربط ذاكرة memristor عالية السرعة مع ذاكرة التخزين المؤقت SRAM الموجودة في الرقائق المنطقية باستخدام الضوئيات: نقل البتات على شكل ومضات من ضوء الليزر بدلاً من التيار الكهربائي. إنها ليست بالضبط الكأس المقدسة للذاكرة العالمية، لأن التسلسل الهرمي للذاكرة في "الآلة" يتقلص من ثلاث طبقات إلى طبقتين فقط، لكنه يقترب من ذلك.

أجهزة الكمبيوتر ذات البنية التي ستعتمد على ذاكرات تجمع بين ذاكرة الوصول العشوائي والتخزين غير المتطاير، مثل "الآلة"، ستكون قادرة على تحقيق تحسينات كبيرة في أداء الكمبيوتر دون الاعتماد على التصغير على غرار قانون مور. احتاج حاسوب Watson العملاق من IBM، وهو الإصدار الذي تغلب على المتسابقين البشريين في Jeopardy في عام 2011، إلى 16 تيرابايت من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM)، مخزنة في عشر خزانات خادم Linux المتعطشة للطاقة، لأداء مهمته في الوقت الفعلي. يمكن وضع نفس الكمية من ذاكرة الفلاش غير المتطايرة في صندوق الأحذية، وتحتاج إلى نفس القدر من الطاقة التي يحتاجها الكمبيوتر المحمول العادي. إن بنية الذاكرة التي تجمع بين الوظيفتين ستجعل من الممكن الاحتفاظ بكميات هائلة من البيانات في الذاكرة النشطة للمعالجة في الوقت الفعلي، بدلاً من تقطيعها إلى كتل تسلسلية صغيرة، وبتكاليف طاقة أقل بكثير.

وفقًا لويلر، مع اتصال المزيد والمزيد من الأجهزة بـ "إنترنت الأشياء"، أصبح مستقبل قانون مور موضع شك أكبر، بسبب مشكلة تدفق عدد لا يحصى من البيتابايت من المعلومات ذهابًا وإيابًا إلى مراكز البيانات للتخزين والمعالجة. . إذا تمكنت الذاكرة العالمية من ضغط قدرات الكمبيوتر العملاق في حزم أصغر وأكثر فعالية من حيث التكلفة، فيمكننا تخزين تلك البيانات ومعالجتها مسبقًا محليًا، على الأجهزة المتصلة نفسها. إذا تم كسر حاجز الذاكرة، فلن نهتم بعد الآن إذا كانت معالجات السيليكون لن تقل أبدًا عن سبعة نانومتر أو أسرع من أربعة جيجاهيرتز.

بعد فون نيومان

وحتى لو نجحت شركة HP في خطوتها لإنشاء ذاكرة عالمية، فإن أجهزة الكمبيوتر ستظل على ما كانت عليه منذ ENIAC، أول كمبيوتر متعدد الأغراض، تم بناؤه في عام 1946: آلات حاسبة سريعة للغاية. ويتضمن تصميمها الأساسي، الذي صاغه رسميًا عالم الرياضيات جون فون نيومان في عام 1945، وحدة معالجة لتنفيذ التعليمات، ومجموعة ذاكرة لتخزين تلك التعليمات والبيانات التي يتم تنفيذها عليها، واتصال ("قناة") يربط بين الاثنين. . تم تكييف بنية فون نيومان على النحو الأمثل مع التنفيذ الخطي للتعليمات الرمزية، وهو ما نسميه "العمليات الحسابية". كانت أجهزة الكمبيوتر الأولى في الواقع بشرًا يُدفع لهم مقابل الجلوس في غرفة وإجراء حسابات يدوية، وليس من قبيل الصدفة أنهم صمموا أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية لإجراء نفس العملية المرهقة تلقائيًا وبأخطاء أقل.

اليوم، نحتاج بشكل متزايد إلى أجهزة الكمبيوتر لأداء المهام التي لا يمكن ترجمتها بشكل جيد إلى تعليمات رياضية خطية: مهام مثل تحديد كائنات معينة في مقاطع الفيديو التي تستمر لساعات عديدة، أو توجيه الروبوتات المستقلة في المناطق المتغيرة أو الخطرة. تشترك مثل هذه المهام مع قدرات الاستشعار ومطابقة الأنماط للأدمغة البيولوجية أكثر من الآلات الحاسبة الميكانيكية. تحتاج الكائنات الحية إلى استخراج المعلومات من البيئة في الوقت الحقيقي التي تسمح باتخاذ القرار. إذا اضطرت الذبابة إلى تمرير تعليمات منفصلة ذهابًا وإيابًا، واحدة تلو الأخرى، بين الذاكرة المنفصلة ووحدات المعالجة في دماغها، فلن تتمكن من إكمال الحساب في الوقت المناسب للهروب من الصحيفة المطوية.

يرغب دارميندرا مودا، مؤسس مجموعة الحوسبة المعرفية في شركة IBM، في بناء شرائح كمبيوتر تكون على الأقل "ذكية" مثل الذبابة المنزلية، وبنفس كفاءة استخدام الطاقة. ويقول إن المفتاح هو التخلي عن هندسة فون نيومان الشبيهة بالآلة الحاسبة. وبدلاً من ذلك، يحاول فريقه في النهاية محاكاة الأعمدة الموجودة في القشرة الدماغية للثدييات، والتي تعالج المعلومات وتنقلها وتخزنها في نفس البنية، دون قنوات تؤدي إلى اختناقات. كشفت شركة IBM مؤخرًا عن شريحة TrueNorth، التي تحتوي على أكثر من خمسة مليارات ترانزستور، مرتبة في 4,096 نواة عصبية مشبكية تحاكي مليون خلية عصبية و256 مليون اتصال متشابك.

ينجح هذا الترتيب في مطابقة الأنماط في الوقت الفعلي، مع ميزانية الطاقة الخاصة بمؤشر الليزر. يشير مودا إلى شاشة في زاوية غرفة العرض التجريبي في حرم أبحاث ألاميدا التابع لشركة آي بي إم في سان خوسيه، كاليفورنيا. تعرض الشاشة صورة تبدو وكأنها لقطة أمنية من كاميرا تحتاج إلى إصلاح عاجل: سيارات ومشاة ودراجات تتجمد في مكانها في دائرة مرورية. تم تحديد أحد المشاة بإطار أحمر مرسوم أعلى الشاشة. وبعد دقيقة واحدة، تقفز السيارات والأشخاص والدراجات إلى وضع متجمد آخر، وكأن الفيديو قد قفز إلى الأمام.
يوضح مودا: "كما ترى، هذه ليست صورًا ثابتة". "هذا مقطع فيديو من حرم جامعة ستانفورد، تم تحليله على جهاز كمبيوتر محمول يحاكي شريحة TrueNorth. إنها تعمل بشكل أبطأ بألف مرة من الشريحة." شريحة TrueNorth الفعلية، والتي تعمل عادةً لتحليل الفيديو، كانت تُستخدم في ذلك الوقت في برنامج تعليمي داخلي في القاعة المجاورة، لذلك لم أتمكن من رؤيتها أثناء العمل. وبخلاف ذلك، يقول مودا، سيتم عرض الفيديو في الوقت الفعلي، وستتبع الإطارات الحمراء الصغيرة المشاة بسلاسة من لحظة دخولهم إلى إطار الصورة حتى لحظة خروجهم منه.

مثل نظيراتها في هندسة فون نيومان، فإن الأجهزة العصبية مثل TrueNorth لديها نقاط ضعف متأصلة. يقول مودا: "لن ترغب في تشغيل نظام التشغيل iOS على تلك الشريحة". "أعني أن هذا ممكن، لكنه سيكون غير فعال للغاية، تمامًا كما أن الكمبيوتر هنا لا يعالج الفيديو بكفاءة." تعتزم شركة IBM تسخير قدرات المبنيين: أحدهما لإجراء حسابات منطقية دقيقة والآخر لمطابقة الأنماط الارتباطية السريعة، لإنشاء نظام حوسبة شامل.

في هذه الرؤية، لا يزال للصياغة الكلاسيكية لقانون مور معنى. لقد قام فريق مودا بالفعل بتوصيل 16 شريحة TrueNorth بلوحة واحدة، وبحلول نهاية عام 2015، يعتزمون تجميع ثماني لوحات في جهاز واحد، بحجم الهاتف الخليوي وباستهلاك طاقة يبلغ مائة واط، مع قدرات حاسوبية " إن محاكاتها في محاكاة ستتطلب مركز كمبيوتر كاملاً."

بمعنى آخر، لا يزال عدد السيليكون والترانزستور مهمًا، ولكن الأهم من ذلك هو كيفية ترتيبهما. يقول مودا: "كانت تلك رؤيتنا". "بمساعدة إعادة ترتيب وحدات البناء، يأخذ المبنى نفسه وظيفة مختلفة تمامًا. اعتقد الكثير من الناس، بما فيهم نحن في البداية، أن التكنولوجيا بحاجة إلى التغيير من أجل الحصول على ميزة. ومن الناحية العملية، أصبح من الواضح أنه حتى لو كانت التكنولوجيا الجديدة يمكن أن تحقق مزايا، فإن البنية المختلفة يمكن أن تحقق تحسنًا كبيرًا في الأداء، وبتكلفة أقل بكثير.

قوانين مور

وفي الوقت نفسه، في مبنى RA3 في هيلزبورو، يبدد مايكل مايبيري، مدير أبحاث المكونات في شركة إنتل، أسطورة أخرى حول قانون مور: فهو لم يعمل أبدًا مع الترانزستورات. يقول: "اسم اللعبة هو التكلفة لكل وظيفة". سواء كان قياس الترانزستورات لكل سنتيمتر مربع من السيليكون، أو تعليمات التعليمات البرمجية التي يتم تنفيذها في الثانية، أو الأداء لكل واط، فإن ما يهم هو إنجاز المزيد من العمل بموارد أقل. ليس من المستغرب أنه على موقع إنتل الإلكتروني، لا يتم تقديم قانون مور باعتباره اتجاهًا تكنولوجيًا أو قانونًا للطبيعة، بل كنموذج أعمال.

"عندما يسألني أحدهم: ماذا عن قانون مور الذي يجعلك لا تنام؟" أقول: "أنا نائم جيدًا" ، يقول مايبيري. "لم نتوقف عندما انتهى نطاق دينارد، لقد تغيرنا للتو. إذا نظرت إلى 15 عامًا للأمام، يمكنك رؤية بعض التغييرات التي ستحدث، لكن هذا لا يعني أننا سنتوقف". ما تتفق عليه إنتل وآي بي إم وإتش بي هو أن مستقبل أداء الحوسبة، أي كيف ستقدم الصناعة أداءً محسنًا بتكلفة أقل، لن يبدو بعد الآن كخط أو منحنى، بل أشبه بشجرة متعددة الفروع من التطور البيولوجي نفسه.

والسبب في ذلك هو تطور رؤيتنا لأجهزة الكمبيوتر نفسها. لقد اتضح أننا لا نريد آلات تفكير مستقلة وكلية المعرفة، كما قدر العديد من كتاب الخيال العلمي في نهاية القرن العشرين. ليس قانون مور هو الذي يقترب من نهايته، بل عصر الحوسبة العامة الفعالة الذي وصفه قانون مور بأنه ممكن، أو على حد تعبير مايبيري: "حشر كل شيء ممكن في صندوق".

وبدلا من ذلك، فإن العامل الذي سيدفع السباق الذي لا هوادة فيه لتقليل تكلفة كل وظيفة سيكون الحوسبة غير المتجانسة، وسوف ينقسم قانون مور إلى عدة قوانين مور. لن تقوم شركات مثل Intel وIBM وHP وغيرها بدمج الدوائر فحسب، بل الأنظمة بأكملها التي ستكون قادرة على تلبية المتطلبات المتزايدة لأحمال الحوسبة المنفصلة. يقول بيرنارد س. مايرسون من شركة آي بي إم إن الناس يشترون الوظائف، وليس رقائق الكمبيوتر، وفي الواقع أصبح اهتمامهم أقل فأقل بشراء أجهزة الكمبيوتر على الإطلاق. نحن ببساطة نريد أن تؤدي أدواتنا الحسابات، أو "التفكير"، بطرق تجعلها مفيدة في السياقات التي نعمل فيها معها. فبدلاً من الكمبيوتر الفائق الذكاء HAL من فيلم 2001: A Space Odyssey، لدينا Google Now على هاتفنا الذكي الذي يخبرنا بموعد المغادرة إلى المطار للقيام برحلتنا في الوقت المحدد.
يفترض المستقبليون مثل نيك بوستروم (مؤلف كتاب "الذكاء الفائق: المسارات والمخاطر والمقاربات") أن قانون مور سوف يتسبب في تطور الذكاء الاصطناعي العام وتبلوره إلى نوع من الكيان الرقمي الذي يعرف كل شيء وكلي القوة. ومن ناحية أخرى، فإن الحوسبة غير المتجانسة تملي أن الحوسبة سوف تتغلغل إلى الخارج في الأنظمة والمنافذ والأشياء التي كانت في السابق "غبية". وسوف تكتسب أشياء مثل السيارات، وأجهزة توجيه الشبكات، ومعدات التشخيص الطبي، وسلاسل توريد التجزئة، مرونة شبه مستقلة وقدرات محددة السياق، على مستوى الحيوانات الأليفة. بمعنى آخر، في العالم بعد قانون مور، لن تصبح أجهزة الكمبيوتر آلهة، ولكنها ستعمل كنوع من الكلاب الذكية جدًا.
وكما أن الكلب الدانماركي الضخم لم يتم تصميمه للقيام بواجبات كلب الترير، كذلك لم يتم تصميم معالج الرسومات للقيام بعمل المعالج الرئيسي. يعطي ويلر من HP مثالاً على نوى معالجة مخصصة متعددة "مثبتة" في مجموعة من الذاكرة العالمية بترتيب بيتابايت: مزيج من قوة المعالجة والذاكرة الضخمة، والتي تعمل بشكل مشابه للطريقة التي يتم بها ترتيب مسرعات الرسومات وذاكرة التخزين المؤقت حول وحدة المعالجة المركزية المركزية الموارد اليوم.

وفي شركة آي بي إم، يتصور مودا أجهزة بحجم كرة الجولف مزودة برقائق معرفية متصلة بكاميرات رخيصة الثمن يمكن إسقاطها في المناطق المتضررة من الكوارث الطبيعية وتحديد أنماط محددة للغاية، مثل الأطفال المصابين. ويقول عالم الكمبيوتر ليون تشوا من جامعة كاليفورنيا في بيركلي، والذي اقترح فكرة الذاكرات لأول مرة في عام 1971، إن محاولات شركة HP لانهيار التسلسل الهرمي للذاكرة وأبحاث IBM في إعادة اختراع الحاسب المركزي هي استجابات تكميلية لما يسميه " عنق الزجاجة الكبير للبيانات. ووفقا له، "من المدهش أن أجهزة الكمبيوتر التي تم استخدامها في كل شيء في الأربعين سنة الماضية لا تزال تعتمد على نفس فكرة" بنية فون نيومان الشبيهة بالآلة الحاسبة. يقول تشوا إن الانتقال على جبهتين إلى الحوسبة غير المتجانسة أمر "حتمي"، و"سوف يخلق اقتصادًا جديدًا تمامًا"، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الحوسبة بعد قانون مور وفون نيومان سوف تتطلب أساليب جديدة تمامًا للبرمجة وتصميم النظام. ووفقا له، فإن جزءًا كبيرًا جدًا من علوم الكمبيوتر والهندسة وتصميم الرقائق يتعامل مع إخفاء القيود المضمنة في التسلسل الهرمي للذاكرة وبنية فون نيومان في الحوسبة، لذلك بمجرد إزالة هذه القيود، "سيكون لدى كل مبرمج كمبيوتر للعودة إلى المدرسة."
ما لم يذكره تشوا وويلر ومودا في توقعاتهم للمستقبل القريب هو الترانزستورات، أو تحسينات الأداء التي أصبح العالم يتوقعها منها. ووفقاً لمايرسون من شركة آي بي إم، فإن ما وصفه قانون مور بدقة لمدة نصف قرن، وهو العلاقة الواضحة بين زيادة كثافة الترانزستور وانخفاض التكلفة والوظيفة، قد يكون في الواقع مجرد مصادفة مؤقتة. يقول مايرسون: "إذا نظرنا إلى الأربعين سنة الماضية في مجال أشباه الموصلات، فسنرى نبضًا منتظمًا للغاية". "التقدم لن يتوقف، لكن التكنولوجيا طورت اضطراب ضربات القلب".

عن المؤلف

جون بافلوس كاتب ومخرج يركز على العلوم والتكنولوجيا والتصميم. نُشرت أعماله، من بين أمور أخرى، في Wired وNature وMIT Technology Review.

باختصار

يعتمد التقدم في مجال الحوسبة على قانون مور: فكرة أن عدد الترانزستورات في رقائق الكمبيوتر يتضاعف كل عامين. لكن قوانين الفيزياء وضعت حداً لهذا التخفيض، وسرعان ما سيصل المهندسون إلى هذا الحد.

ولذلك، يستثمر مصنعو الرقائق مليارات الدولارات في تطوير بنيات حاسوبية وتصميمات جديدة تمامًا للرقائق، يعتمد بعضها على مواد جديدة. الأفكار التي تمت دراستها لفترة طويلة في المختبرات يتم الآن اختبارها في الصناعة بكامل قوتها.

من السابق لأوانه معرفة أي التكنولوجيا ستفوز. والنتيجة الأكثر ترجيحًا هي أنه سيتم استخدام تقنيات معينة لأداء مهام معينة تم تعيينها مسبقًا لوحدة معالجة مركزية واحدة. قانون مور، المفرد، سيتم استبداله بعدة قوانين مور.

المزيد عن هذا الموضوع

هدفهم أكثر من مكونات على الدوائر المتكاملة. جوردون إي مور في الإلكترونيات، المجلد. 38، لا. 8، الصفحات 114-117؛ 19 أبريل 1965.
Memristor: عنصر الدائرة المفقودة. لو تشوا في معاملات IEEE على نظرية الدائرة، المجلد. 18، لا. 5، الصفحات 507-519؛ سبتمبر 1971.
تصميم دوائر MOSFET المزروعة ذات الأبعاد الفيزيائية الصغيرة جداً. RH دينارد وآخرون. في مجلة IEEE لدوائر الحالة الصلبة، المجلد. 9، لا. 5، الصفحات 256-268؛ أكتوبر 1974.
أنابيب الكربون النانوية: الطريق نحو التطبيقات. راي ه. بوغمان وآخرون. في العلوم، المجلد. 297، الصفحات 787-792؛ 2 أغسطس 2002.

الذكاء الفائق: المسارات والمخاطر والاستراتيجيات، نيك بوستروم، مطبعة جامعة أكسفورد، 2014

العشرين عامًا القادمة من الرقائق الدقيقة، مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل، عدد أبريل-مايو 2010، الصفحة 48؛

ما عليك سوى إضافة ذكرى، ماسيميليانو دي فينترا ويوري ف. بيرشين، مجلة Scientific American Israel، عدد يونيو-يوليو 2015، الصفحة 50;

تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل