Читать книгу Дякую за запізнення: керівництво для оптимістів сучасності - Томас Фридман - Страница 9

Почнімо нашу оповідь із мікрочипів, які відомі ще як інтегральні схеми або мікропроцесори. Це пристрої, що урухомлюють усі програми й пам’ять комп’ютера. У словнику написано, що мікропроцесор – це міні-двигун для обчислень, збудований на одному кремнієвому чипі, який скорочено ще називають «мікрочип» або «чип». Мікропроцесор складається з транзисторів – маленьких перемикачів, що можуть вмикати й вимикати струм. Обчислювальна потужність мікропроцесора – функція того, наскільки швидко транзистори вмикають та вимикають струм і скільки їх ви можете помістити на один кремнієвий чип. До винаходу транзисторів перші дизайнери комп’ютерів використовували вакуумні лампи, які були у вас у старих телевізорах, для обчислення за допомогою перемикання струму. Тому вони були такими повільні й конструктивно складні.

І ось раптом улітку 1958 року все змінилося. Інженер компанії Texas Instruments7 Джек Кілбі «знайшов розв’язок цієї проблеми», розповідає веб-сайт NobelPrize.org.

Кілбі запропонував робити всі компоненти й чип одним блоком із матеріалу напівпровідника… У вересні 1958 року він зробив першу інтегральну схему…

Зробивши всі деталі з однакових моноблоків і додавши метал згори для сполучення шарів, він ліквідував потребу в дискретних компонентах. Більше не треба було монтувати вручну дроти й компоненти. Схеми можна було зменшити, а процес виробництва – автоматизувати.

Через півроку ще один інженер, Роберт Нойс, запропонував свою інтегральну схему, що легко розв’язувала деякі проблеми схеми Кілбі й уможливила більш безшовне з’єднання компонентів на одному кремнієвому чипі. Так почалася цифрова революція.

Для виробництва цих чипів Нойс співзаснував компанію Fairchild Semiconductor 1957 року (пізніше – Intel) разом із кількома іншими інженерами, зокрема з Ґордоном Е. Муром, який захистив докторську з фізхімії в Каліфорнійському технологічному інституті та згодом очолив науково-дослідні лабораторії в компанії Fairchild. Видатним новаторством компанії стало розроблення процесу хімічного надруку мікротранзисторів на чип із кремнієвого кристала, що зробило їх простішими в масштабуванні та зручнішими для масового виробництва. Як зауважив Фред Каплан у своїй книжці «Усе змінилося 1959 року»: мікрочип не набув би такого поширення, якби не великі державні програми, зокрема перегони в польотах до Місяця та створення міжконтинентальної балістичної ракети «Мінітмен». Обом програмам потрібні були складні системи керування, які можна було вмонтувати в компактні носові обтічники. Вимоги міністерства оборони створили економію на масштабах для цих мікрочипів, і першим це оцінив Ґордон Мур.

«Мур був чи не першим, хто зрозумів: хімічне друкування мікрочипів у Fairchild означало, що вони будуть не лише менші, надійніші й менш енергоємні, ніж традиційні електронні схеми, але й стануть дешевшими у виробництві, – зазначав Дейвід Брок 2015 року у спецвипуску часопису Музею історії комп’ютерів Core. – На початку 1960 років уся глобальна промисловість напівпровідників перейшла на технологію Fairchild у виробництві кремнієвих мікрочипів, а у військовій галузі для них з’явився ринок, особливо в аерокосмічних системах керування».

Я інтерв’ював Мура у травні 2015 року в Експлораторіумі в Сан-Франциско з нагоди 50-річчя закону Мура. Хоча йому й було тоді 86 років, усі його мікропроцесори чудово працювали з надзвичайною ефективністю! Наприкінці 1964 року Мур мені розповідав, що часопис Electronics запропонував йому подати статтю для ювілейного випуску з нагоди 35-річчя й дати прогноз на десятиріччя щодо роботи промисловості напівпровідникових компонентів. Тож він дістав нотатник і переглянув, що сталося на той час: Fairchild перейшов від виробництва одного транзистора на чипі до чипа з вісьмома елементами – транзисторами й резисторами, а вже готові до випуску нові чипи мали вдвічі більше елементів, тобто 16, і в лабораторії експериментували з 30 елементами та замислювалися над 60! Коли він побудував графік, то виявилося, що подвоєння відбувалося щороку, тому він сміливо припустив у статті, що подвоєння триватиме ще принаймні 10 років.

У відомій тепер статті в часописі Electronics, що вийшла 19 квітня 1965 року під назвою «Втискаємо більше компонентів в інтегральні схеми», Мур написав: «Складність за мінімальної вартості компонентів приблизно подвоювалася щороку… Є рація припускати, що ця величина залишиться незмінною принаймні десять років». Викладач інжинірингу в Калтеху Карвер Мід, приятель Мура, згодом назвав це «законом Мура».

Мур мені пояснював: «Я дивився на інтегральні схеми (їм тоді було всього кілька років) і бачив, що вони дуже дорогі. Було багато доказів на користь того, що вони ніколи не подешевшають, і мені як завідувачеві лабораторії спливло на думку, що розвиток технології має прямувати до збільшення кількості елементів на чипі, і це трохи здешевить електроніку… Я й гадки не мав, що це стане відносно точним прогнозом, але знав, що загальний тренд має стати саме таким, і я хотів якось обґрунтувати, чому важливо здешевлювати електроніку». Перший прогноз був на десятиріччя, коли йшлося про перехід від десь 60 елементів в інтегральній схемі до 60 000 – тисячократна екстраполяція протягом десятьох років. Але це справдилося. Однак Мур зрозумів, що такий темп, може, й не втримається, тому 1975 року він осучаснив прогноз, сказавши, що подвоєння відбуватиметься кожні два роки, а ціна залишатиметься та сама.

І це справджувалося.

«Дивовижно, що щось подібне триває півстоліття, – сказав мені Мур. – Знаєте, на шляху до наступного кроку виникали всілякі перепони, але інженери щоразу долали ці труднощі».

У статті Мура 1965 року вражає також те, скільки справдилося прогнозів щодо того, що дасть постійне вдосконалення мікрочипів:

Завдяки інтегральним схемам ми побачимо такі дива, як домашні комп’ютери чи принаймні термінали, під’єднані до центрального комп’ютера, автоматичне керування для автомобілів і персональні мобільні засоби зв’язку. Щоб стати реальністю, електронному наручному годиннику потрібний лише дисплей…

У телефонному зв’язку інтегральні схеми в цифрових фільтрах розділятимуть канали на мультиплексному обладнанні. Вони перемикатимуть телефонні лінії й оброблятимуть дані.

Комп’ютери стануть потужнішими й організовуватимуться зовсім по-іншому… Виробництво машин, які в нас є сьогодні, здешевиться, а обіг засобів пришвидшиться.

Треба віддати Муру належне: він передбачив персональний комп’ютер, стільниковий телефон, самохідні автівки, айпед, великі дані та годинник Apple. Єдине, що він пропустив, я жартував з ним, – це «попкорн з мікрохвильовки».

Я спитав Мура про той момент, коли він, повернувшись додому, повідомив своїй дружині Бетті: «Люба, вони назвали моїм іменем закон».

«Протягом перших двадцяти років мені ніяково було вимовляти термін “закон Мура”, – відповів він. – Це ж не закон. Нарешті я призвичаївся і зміг вимовляти термін, не змигнувши».

Я поцікавився, чи є щось таке, про що він шкодує, що не спрогнозував, як закон Мура.

«Важливість інтернету здивувала мене, – сказав Мур. – Спочатку здавалося, що це буде локальна мережа зв’язку для розв’язання деяких проблем. Я вчасно не збагнув, що він відкриє цілий всесвіт нових можливостей, як це сталося. Я шкодую, що не спрогнозував цього».

Є стільки чудових прикладів дії закону Мура, що важко вибрати щось конкретне. Ось один із найкращих прикладів, який я знайшов в есе «Приходять роботи» Джона Ленчестера в London Review of Books за 15 березня 2015 року.

«У 1996 році, – писав Ленчестер, – у відповідь на російсько-американський мораторій 1992 року щодо випробування ядерної зброї уряд США розпочав програму під назвою “Ініціатива з прискорення стратегічних обчислень” – ASCI. Призупинення випробувань створило необхідність (із міркувань безпеки) складних комп’ютерних моделювань старіння озброєння, а також (з огляду на небезпеку у світі!) розробляти нове озброєння без порушення умов мораторію».

За словами Ленчестера, щоб виконати це:

ASCI потрібно більше обчислювальної потужності, ніж могла дати наявна машина. Тому було замовлено комп’ютер ASCI Red, що мав обробляти понад терафлопс інформації. Флопс – це операція з рухомою комою, тобто обчислення чисел із десятковими знаками… (вона вимогливіша до апаратних можливостей, ніж обчислення з двійковою системою числення й нулями). Терафлопс – це трильйон таких обчислень за секунду.

Коли Red 1997 року було запущено на повну силу, це стало видатним явищем. Його потужність дозволяла обробити 1,8 терафлопса. Тобто 18 з 11 нулями. До кінця 2000 року Red був найпотужнішим суперкомп’ютером у світі.

Лише вчора я грав на Red (тобто не грав, але таки познайомився з машиною), яка здатна обробити 1,8 терафлопса. Цей еквівалент Red називався PS3 (ігровий центр 3); його запустила компанія Sony 2005 року, а 2006 року вивела на ринок. За розмірами Red був трохи менший за тенісний корт, споживав електрики, як 800 будинків, і коштував 55 млн доларів. PS3 можна поставити під телевізор, живиться він зі звичайної електророзетки, і його можна купити менш ніж за двісті фунтів. Протягом десятиріч комп’ютер, здатний обробити 1,8 терафлопса, перетворився з чогось, що могли собі дозволити лише найбагатші уряди, щоб виконати завдання на межі обчислювальних можливостей машини, на те, що підліток міг сподіватися знайти під новорічною ялинкою.

Нині закон Мура перебуває на другій половині шахівниці, і як далеко він може ще зайти? Як уже зазначалося, мікрочип або чип роблять з транзисторів – мініатюрних перемикачів; ці перемикачі сполучені маленькими мідними дротинками, що працюють як трубочки, якими плинуть електрони. Робота чипа полягає в тому, що ви скеровуєте якомога швидше електрони по мідних дротинах на чипі. Пересилаючи електрони з одного транзистора на інший, ви посилаєте сигнал здійснити вмикання або вимикання, тобто виконати певну обчислювальну функцію. З появою нових поколінь мікрочипів проблема полягає в пересиланні електронів дедалі тоншими дротинами до менших перемикачів для дедалі швидшого вмикання й вимикання, що збільшує обчислювальну потужність у разі зменшення енерго- й теплоємності та мінімізації витрат у якомога меншому просторі.

«Колись це зупиниться, – сказав Мур. – Експоненційне зростання не триває нескінченно».

Проте нам ще далеко до кінця.

Протягом 50 років промисловість знаходила нові можливості зменшувати розміри транзистора на 50 % за незмінної вартості, даючи за ту саму ціну вдвічі більше транзисторів або ту саму кількість транзисторів за півціни. Це вдалося зробити завдяки зменшенню транзисторів, стоншенню дротів і щільнішому монтуванню. Іноді це досягали завдяки новій архітектурі та матеріалам, і експоненційне зростання відбувалося приблизно кожні два роки. Ось один приклад: перші інтегральні схеми використовували один шар алюмінієвих дротів-трубочок, а сьогодні ми маємо 13 шарів мідного дроту завдяки нанотехнологіям.

«Прогноз смерті закону Мура я вже чув разів із десять, – сказав мені виконавчий директор Intel Браян Кшаніч. – Коли ми працювали з 3 мікронами [одна тисячна міліметра: 0,001 міліметра або 0,00039 дюйма], люди говорили: «Як ми можемо ще зменшити товщину? Хіба можна для цих пристроїв зробити плівку достатньо тонкою й чи можемо зменшити довжину хвилі світла, щоб уможливити нановиробництво?» Однак щоразу ми виходили на прорив. Прорив не передбачається заздалегідь і не відбувається з першої спроби. Проте перепони ми щоразу долали».

Щоправда, зазначив Кшаніч, останні дві ітерації8 закону Мура відбувалися не через два, а через два з половиною роки. Попри це, навіть при експоненційному зростанні раз на один, два, три роки важливо те, що завдяки безперервній нелінійній модернізації мікрочипів ми стабільно робимо машини, роботи, телефони, годинники, програмне забезпечення й комп’ютери розумнішими, швидшими, меншими, дешевшими та ефективнішими.

«Ми – покоління 14 нанометрів, які не можна побачити людським зором, – пояснював Кшаніч про останній мікрочип Intel. – Чип може бути завбільшки з ніготь на пальці, а на ньому – понад мільярд транзисторів. Ми вже знаємо, як перейти на 10 нанометрів, і розв’язали більшість проблем, щоб перейти на сім і навіть п’ять нанометрів. Люди зараз міркують над кількома ідеями щодо розміру менше за п’ять нанометрів. Але так і відбувалося протягом усього часу».

Виконавчий віце-президент Intel з питань технології та виробництва Білл Голт відповідає за продовження дії закону Мура. Він провів для мене екскурсію по заводу чи фабриці виробництва чипів Intel у Портленді, штат Ореґон, і я бачив крізь вікна чисті приміщення, де роботи цілодобово пересувають чипи від одного виробничого процесу до іншого, а працівники в білих лабораторних халатах наглядають, щоб із ними було все гаразд. Голту теж не до шмиги ті, хто переконаний, що дія закону Мура вичерпується. За його словами, нині стільки роблять із новими матеріалами, завдяки яким можна пакувати більше транзисторів, що споживають менше енергії й менше гріються, що він переконаний: за десять років «щось» з’явиться й дасть нове покоління закону Мура.

Проте, якщо й не відкриють нових матеріалів, потрібно пам’ятати, що з самого початку обчислювальна потужність мікрочипів збільшувалася також завдяки поступу в програмному забезпеченні, а не просто завдяки кремнію. «Потужніші чипи зумовили появу складнішого програмного забезпечення, а його вже використовували, щоб прискорити чипи завдяки новій конструкції та оптимізації складностей, нагромаджуваних на чипі», – зауважив Крейґ Манді.

Взаємопосилювані прориви в конструкції чипа та програмному забезпеченні заклали підвалини нещодавніх проривів у царині штучного інтелекту. Машини тепер здатні абсорбувати й обробляти дані нечуваними раніше темпами та в небачених обсягах, тому можуть нині розпізнавати патерни й навчатися, як це робить наш біологічний мозок.

А почалося все з першого мікрочипа й закону Мура. «Багато хто неодноразово передбачав кінець закону Мура, – сказав наприкінці Голт, – і робили це вони з різних причин. Єдине, що в них спільне, – те, що всі вони помилилися».