4. За гранью закона Мура

В 1971 году Intel, тогда ничем не примечательная компания, расположенная в месте, которое позже назовут Кремниевой долиной, выпустила микросхему под названием 4004. Это был первый в мире коммерчески доступный микропроцессор — устройство, в одном миниатюрном корпусе которого были собраны все электронные схемы, необходимые для сложной обработки больших объемов числовых данных. Он был чудом своего времени, собранным из 00 крошечных транзисторов размером около 10 тысяч нанометров (или миллиардных частей метра) каждый, то есть размером примерно с красную клетку крови. Транзистор — это электронный переключатель, который путем перехода между состояниями «истина» и «ложь» обеспечивает физическое представление нуля и единицы, основных строительных кубиков информации.

В 2015 году Intel — к тому времени ведущий мировой производитель микросхем с годовым доходом более 55 млрд долларов — выпустила процессоры серии Skylake. Фирма больше не публиковала точные цифры, но можно предположить, что в каждой микросхеме содержалось 1,5–2 млрд транзисторов, расположенных примерно в 14 нанометрах друг от друга. Каждый из них был настолько крошечным, что был практически невидим, ибо он более чем на порядок меньше длины волны света в видимом диапазоне.

Все знают, что современные компьютеры лучше старых. Но трудно определить, насколько именно, ведь ни одна другая потребительская технология не улучшалась подобными темпами. Стандартной является аналогия с автомобилями: если бы машины с 1971 года улучшались с той же скоростью, что и компьютерные чипы, то к 2015-му новые модели имели бы максимальную скорость около 420 млн миль в час. Это примерно две трети скорости света, или достаточно быстро, чтобы объехать вокруг света менее чем за 1/5 секунды. А если и это покажется слишком медленно, то к концу 2017 года в шоурумах у дилеров должны были бы появиться модели, которые могли бы двигаться вдвое быстрее света.

Такой молниеносный прогресс является следствием наблюдения, впервые сделанного в 1965 году одним из основателей Intel Гордоном Муром. Он заметил, что количество транзисторов на одном кристалле интегральной схемы ежегодно удваивается. Позже, когда срок удвоения был исправлен на два года, «закон Мура» стал самореализующимся пророчеством, задавшим темп всей вычислительной индустрии. Каждый год такие фирмы, как Intel и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, тратят миллиарды долларов, выясняя, как сохранить тенденцию к уменьшению элементов интегральных схем. Попутно закон Мура помог построить мир, в котором чипы встроены во все — от чайников до автомобилей (которые все чаще могут обходиться без водителя), — где миллионы людей развлекаются в виртуальной реальности, на финансовых рынках играют торговые роботы, а «белые воротнички» переживают, что искусственный интеллект скоро лишит их работы.

Но это направление уже почти полностью себя исчерпало. Уменьшать компоненты чипа каждый раз становится все труднее, и в современных транзисторах размером в десятки атомов инженеры просто приближаются к пределу возможностей. С момента запуска микропроцессора 4004 в 1971-м и до середины 2016-го пройдено 22 цикла закона Мура. До 2050 года предполагается еще 17. И в последних из них специалистам придется придумывать, как собирать компьютеры из комплектующих размером меньше атома водорода — самого крошечного из существующих природных элементов. Что, насколько известно, невозможно.

Впрочем, бизнес убьет закон Мура прежде, чем это сделают законы физики, поскольку выгода от миниатюризации транзисторов окажется меньше привычной. Закону Мура придает действенную силу связанное с ним явление под названием «масштабирование Деннарда» (по имени инженера IBM Роберта Деннарда, который первым формализовал эту идею в 1974 году). Согласно ему, уменьшение компонентов чипа делает его быстрее, энергоэффективнее и дешевле в производстве. Другими словами, чипы с меньшими компонентами лучше, поэтому компьютерщики смогли убедить потребителей каждые несколько лет вкладывать большие суммы в последние модели устройств. Но старая магия исчезает. Чипы становятся меньше, но это не делает их более быстрыми или более эффективными в том смысле, к которому мы привыкли (рис. 4.1). В то же время рост стоимости ультрасовременного оборудования, необходимого для изготовления чипов, снижает финансовую выгоду. Второй закон Мура (он гораздо любопытнее первого) гласит: стоимость «кремниевой мастерской», как называют подобные заводы, каждые четыре года удваивается. Стоимость современного завода по производству чипов колеблется около 10 млрд долларов. Это большие деньги даже для Intel.

Рис 4.1. Мур или меньше. Прогресс замедляется

В результате эксперты Кремниевой долины пришли к согласию о том, что закон Мура скоро утратит свою силу. «С экономической точки зрения, закон Мура мертв», — говорит управляющая аналитической фирмой из Кремниевой долины Линли Гвеннап. Руководитель отдела исследований и разработок IBM Дарио Джил тоже откровенен: «Я категорически настаиваю, что будущее компьютерной индустрии больше не может подчиняться закону Мура». Инженер Боб Колвелл, в прошлом проектировавший интегральные микросхемы в Intel, считает, что в начале 2020-х индустрия, возможно, и создаст кристалл, компоненты которого будут расположены всего в 5 нанометрах друг от друга, «но трудно будет убедить меня в возможности дальнейшего сближения».

Другими словами, одна из самых мощных технологических сил за последние 50 лет скоро исчерпает себя. Предположение, что компьютеры будут безостановочно становиться все лучше и дешевле, намертво впечатано в представление людей о будущем. Оно лежит в основе многих технологических прогнозов из других частей этой книги, говорящих о беспилотных автомобилях, искусственном интеллекте и новых невероятных гаджетах. Но, помимо уменьшения компонентов, существуют и другие способы улучшения компьютеров. Конец закона Мура не означает финала компьютерной революции. Это означает лишь, что предстоящие десятилетия будут выглядеть совершенно иначе, чем предыдущие, ибо ни одна из альтернатив не является столь же надежной или повторимой, как великая миниатюризация прошлого полувека.

Закон Мура сделал компьютеры меньше, превратив их из монстров, заполняющих всю комнату, в изящные карманные устройства. Это также сделало их более экономичными: смартфон, вычислительная мощность которого больше, чем было доступно всему миру в 1971 году, может работать на одном заряде батареи день или более. Но самое главное — компьютеры стали быстрее. Но к 2050 году, когда закон Мура станет древней историей, инженерам, если они хотят заставить компьютеры работать еще быстрее, придется использовать другие приемы.

Есть несколько простых путей. Во-первых, оптимизировать программное обеспечение. Бешеный темп закона Мура до сих пор оставлял компаниям совсем мало времени для оптимизации своих продуктов. И тот факт, что клиенты каждые несколько лет будут покупать более быстрые устройства, еще больше ослабил стимул для идеальной отладки программ: самый простой способ ускорить плохо написанный код — просто подождать год или два, пока не появится оборудование, которое выполнит его быстрее. По мере того как закон Мура перестает работать, слишком короткие циклы жизни продуктов компьютерной индустрии могут начать увеличиваться, давая программистам больше времени для улучшения качества их работы.

Еще одним способом является разработка узкоспециализированных кристаллов, пусть в ущерб вычислительной универсальности. Современные чипы начинают оснащаться специализированными схемами, предназначенными для ускорения наиболее распространенных задач, таких как распаковка фильмов, выполнение сложных вычислений, необходимых для шифрования, или отрисовки сложной трехмерной графики, используемой в видеоиграх. Поскольку компьютеры стали использоваться во всевозможных других видах продукции, подобные специализированные чипы окажутся весьма полезными. Например, беспилотные автомобили будут все чаще использовать машинное зрение, с помощью которого компьютеры научатся интерпретировать изображения из реального мира, классифицировать объекты и извлекать информацию, что является вычислительно очень сложной задачей, для ее решения применение специализированной схемы будет особенно целесообразно.

Однако чтобы вычислительные мощности продолжали расти так, как мы привыкли, понадобится нечто более радикальное. Одна из идей решения этой проблемы заключается в попытке сохранить закон Мура путем его переноса в третье измерение. Современные чипы, по своей сути, плоские. Но исследователи уже пробуют сделать микросхемы, в которых компоненты уложены друг на друга. Даже если площадь таких чипов перестанет уменьшаться, наращивание слоев позволит дизайнерам продолжать набивать в них больше компонентов, точно так же, как на одной площади фундамента в высотных домах могут поселиться больше людей, чем в малоэтажных.

Первые такие устройства уже выходят на рынок: крупный южнокорейский производитель микроэлектроники Samsung продает накопители, реализованные на многослойных схемах памяти. Перспективы этой технологии весьма многообещающи. В современных компьютерах память смонтирована в нескольких сантиметрах от процессоров. При нынешних скоростях сантиметр — это очень долгий путь, означающий значительные задержки при обработке данных. 3D-чипам удалось устранить эту проблему: слои логики обработки в них расположены между слоями памяти. IBM считает, что 3D-микросхемы могут позволить разработчикам сжать суперкомпьютер, сегодня заполняющий целое здание, до объема коробки для обуви.

Но чтобы заставить его работать, потребуются кардинальные изменения конструкции. Современные чипы уже и так сильно греются, требуя для охлаждения больших радиаторов и вентиляторов. С трехмерной микросхемой будет еще хуже, поскольку доступная для удаления тепла площадь поверхности будет увеличиваться гораздо медленнее генерирующего тепло объема. По той же причине на такую микросхему трудно подавать нужные количества электроэнергии и данных для обработки. Поэтому суперкомпьютер IBM размером с обувную коробку потребует жидкостного охлаждения. В каждом чипе будут проложены микроскопические каналы, что позволит охлаждающей жидкости течь внутри него. Вместе с тем в компании считают, что хладагент может заодно выполнять функцию источника питания. Идея заключается в том, чтобы использовать его в проточной батарее в качестве электролита, в которой последний протекает мимо неподвижных электродов.

Существуют и более экзотические задумки. Квантовые вычисления предлагают использовать трудные для понимания законы квантовой механики для построения машин, способных решать определенные типы математических задач гораздо быстрее любого обычного компьютера, каким бы быстрым или высокотехнологичным он бы ни был (хотя для многих других задач квантовая машина не даст никаких преимуществ). Их самое известное применение — взлом некоторых криптографических кодов. Но наиболее важны они для точного моделирования квантовых явлений в химии. Эта проблема имеет тысячи вариантов применения в промышленном производстве и других отраслях человеческой деятельности, но для обычных машин она почти неразрешима.

Десятилетие назад квантовые вычисления ограничивались теоретическими исследованиями в университетах. В наши дни в подобные технологии вкладывают деньги несколько крупных компаний, в том числе Microsoft, IBM и Google, поскольку, по их прогнозам, квантовые чипы станут доступны в течение следующего десятилетия или двух (хотя на самом деле любой, кто интересуется этим вопросом, уже может поиграть с одной из таких микросхем IBM удаленно, программируя его через Интернет). А канадская фирма D-Wave уже продает квантовый компьютер с ограниченным функционалом: он может выполнять всего одну математическую функцию. Впрочем, до сих пор не ясно, действительно ли эта конкретная машина быстрее неквантовой модели.

Как и 3D-чипы, квантовые компьютеры нуждаются в специализированных уходе и питании. Для работы такого устройства оно должно быть полностью изолировано от внешнего мира. Его следует охлаждать жидким гелием, температура которого лишь чуть выше абсолютного нуля. Наконец, такой компьютер нуждается в сложном экранировании, ибо даже самый маленький импульс тепла или случайная электромагнитная волна могут разрушить тонкие квантовые состояния таких машин.

Каждое из этих перспективных улучшений, однако, имеет ограничения: либо выгода будет разовой, либо окажется применимой только к определенным видам расчетов. Мощь закона Мура заключалась в том, что все улучшения происходили с удивительной регулярностью. В будущем прогресс будет более бессистемным, непредсказуемым и чреватым ошибками. И, в отличие от прежних славных дней, непонятно, насколько серьезно он затронет потребительские товары. В конце концов, мало кто согласился бы иметь криогенно охлаждаемый квантовый ПК или смартфон. То же касается и жидкостного охлаждения — много весит, грязно, сложно. Даже построением специализированного кристалла для конкретной задачи стоит заниматься лишь в том случае, если он будет использоваться регулярно.

При этом все три технологии будут хорошо работать в центрах обработки данных, где помогут стартовать еще одному крупному тренду нескольких ближайших десятилетий. Традиционно компьютер представляет собой большую или меньшую коробку на вашем столе или у вас в кармане. В будущем все более широко распространяющееся подключение к Интернету и сети мобильной связи позволит спрятать вычислительные мощности в центрах обработки данных, при этом клиенты будут использовать ее в том виде, в каком она им нужна. Другими словами, вычислительная мощность станет предоставляемой по требованию услугой, как сегодня электричество или вода.

Возможность убрать аппаратное обеспечение, выполняющее всю вычислительную работу, из куска пластика, с которым обычно работают пользователи, известна как «облачные вычисления». Они станут одним из самых важных для компьютерной промышленности способов нивелировать последствия краха закона Мура. В отличие от смартфона или ПК, которые могут увеличиваться лишь до определенной величины, центры обработки данных можно сделать более мощными, просто построив их большими. По мере роста мирового спроса на вычисления все возрастающая их доля будет происходить на удаленных площадях, расположенных в сотнях миль от пользователей.

И этот процесс уже начался. Возьмите приложение Siri — голосовой персональный помощник, созданный компанией Apple. Декодирование человеческой речи и намерений, скрытых за инструкциями вроде «Сири, найди мне какой-нибудь индийский ресторан», требует большей вычислительной мощности, чем доступна iPhone. Вместо этого смартфон просто записывает голос своего пользователя и передает информацию на более мощный компьютер в одном из центров Apple по обработки данных. Выбрав подходящий ответ, тот отправляет информацию обратно на iPhone.

Подобная модель может использоваться не только для смартфонов. Чипы уже пробрались в вещи, обычно не воспринимаемые в качестве компьютеров — от автомобилей до медицинских имплантатов, телевизоров и чайников. И процесс не стоит на месте. Этот тренд лежит в основе «Интернета вещей» (IoT), идея которого заключается в компьютеризации почти каждого мыслимого объекта. Умная одежда будет использовать домашнюю сеть, чтобы подсказать стиральной машине, какие настройки следует использовать; умные тротуарные плиты станут контролировать пешеходный трафик в городах и предоставлять правительствам подробные карты загрязнения воздуха. Еще раз: проблески будущего видны уже сегодня. Например, инженеры таких фирм, как «Роллс-Ройс», уже сегодня могут отслеживать десятки показателей конкретных реактивных двигателей в полете. Созданы умные домашние устройства, позволяющие их владельцам с помощью смартфона контролировать все — от освещения до кухонных приборов.

Но чтобы IoT полностью реализовал свой потенциал, потребуется каким-то образом осмыслить бурные потоки данных, которые будут производить миллиарды IoT-чипов — сами они с этим не справятся. К примеру, микросхема, встроенная в умную тротуарную плиту, должна быть как можно более дешевой и очень маломощной. Поскольку подключение тротуаров к электрической сети нецелесообразно, такие микросхемы должны будут получать энергию от тепла окружающей среды, движения пешеходов или даже от окружающего электромагнитного излучения.

Когда закон Мура перестанет работать, определение понятия «лучше» изменится. Помимо описанных выше, существует масса иных многообещающих идей. Например, много усилий будет направлено на повышение энергоэффективности компьютеров. Это имеет значение по нескольким причинам. Потребители хотят, чтобы батареи в их смартфонах дольше держали заряд. IoT потребуется установка компьютеров в таких местах, где электрическая сеть недоступна. Наконец, количество вычислений достигло такого уровня, что потребляет уже около 2 % произведенной в мире электроэнергии.

Еще одной областью дальнейшего усовершенствования являются пользовательские интерфейсы, поскольку современные технологии уже устарели. Клавиатуры являются прямыми потомками механических пишущих машинок. Мышь впервые была продемонстрирована в 1968 году. Тогда же был показан графический пользовательский интерфейс, как в сегодняшних Windows или iOS, заменивший сложное взаимодействие с компьютерами того времени при помощи текста на дружественные к пользователю иконки и окна. CERN, известный европейский институт физики элементарных частиц, впервые использовал сенсорные экраны в 1970-х.

Siri может покинуть ваш телефон и стать вездесущей: искусственный интеллект позволит (а облачные вычисления поспособствуют) практически любой машине, независимо от ее собственной мощности, работать просто путем разговора с ней. Samsung уже делает телевизоры с голосовым управлением. Могут оказаться полезными и такие технологии, как отслеживание жестов или взглядов, в настоящее время уже начинащие использоваться в видеоиграх с применением виртуальной реальности. Дополненная реальность, близкий родственник виртуальной, позволяет накладывать компьютерную информацию поверх картины реального мира, смешивая их. Вполне возможно, что первая гарнитура Google с дополненной реальностью была несовершенна, но в один прекрасный день что-то очень на нее похожее наверняка найдет свое применение. Сейчас компания работает над электронными контактными линзами, которые могли бы выполнять аналогичные функции, будучи при этом гораздо менее заметными.

Закон Мура не может работать вечно. Но по мере ослабевания его действия снижается и его значение. Этот закон был важен, пока компьютер являлся просто коробкой на вашем столе и был слишком медленным для выполнения многих задач. Для мировой промышленности он стал мерилом прогресса, и без него развитие вычислительной техники станет более труднодостижимым, неустойчивым и нерегулярным. Но его не остановить. В 2050 году компьютер будет представлять собой систему из крошечных чипов, встроенных во все — от кухонного стола до автомобиля. Большинство таких устройств будут иметь доступ через сеть к гигантской вычислительной мощности, и вы будете взаимодействовать с ней, просто разговаривая с комнатой. Триллионы миниатюрных микросхем будут разбросаны по всем уголкам физической среды обитания человека, делая мир более понятным и контролируемым, чем когда-либо прежде. Действие закона Мура может скоро закончиться. Компьютерная революции — нет.