Читать книгу Расслабься. Гениальное исследование о том, как вовремя взятая пауза в разы увеличивает ваши результаты - Томас Фридман - Страница 9

Начнём нашу историю с микрочипов, также известных как интегральные микросхемы, они же микропроцессоры. На этих устройствах работают все программы и память компьютера. Словарь подскажет нам, что микропроцессор похож на мини-вычислительный движок, построенный на одной кремниевой микросхеме, поэтому его сокращенно и называют «микрочип», или просто «микросхема». Микропроцессор состоит из транзисторов – иными словами, крошечных переключателей. Они могут включать или выключать поток электричества. Вычислительная мощность микропроцессора зависит от того, насколько быстро транзисторы включаются и выключаются и сколько их вы можете разместить на одном кремниевом чипе. До изобретения транзистора первые компьютерные дизайнеры полагались на ламповые вакуумные трубки (подобные им вы могли видеть на задней панели старого телевизора). Они включали и выключали электричество для производства вычислений, но были очень медленными и сложными для сборки.

И вдруг летом 1958 года всё изменилось. Инженер из Texas Instruments Джек Килби «нашёл решение этой проблемы» (сообщает NobelPrize.org).

Идея Килби была в том, чтобы соединить все компоненты и чип в единый блок (монолит) из полупроводникового материала. В сентябре 1958-го у него была готова первая интегральная схема.

Сделав все детали блока из одного материала и добавив металл, необходимый для их соединения в виде поверхностного слоя, он избавился от необходимости в отдельных дискретных компонентах. Больше не нужно было собирать провода и компоненты вручную. Появилась возможность производить микросхемы меньшего размера, а весь процесс изготовления автоматизировать.

Полгода спустя другой инженер, Роберт Нойс, предложил собственную идею интегральной микросхемы – она элегантно решает некоторые проблемы микросхемы Килби и позволяет беспрепятственно соединять все компоненты на одном кристалле кремния.

Так началась цифровая революция.

В 1957 году Нойс стал соучредителем Fairchild Semiconductor (а затем и Intel), созданной для разработки чипов, вместе с несколькими другими инженерами, в том числе Гордоном Э. Муром, который получил докторскую степень по физической химии в Калифорнийском технологическом институте и стал директором лаборатории по исследованиям и разработкам в Fairchild.

Главным новшеством компании стало развитие процесса химической печати миниатюрных транзисторов на кристалле кремния, что значительно облегчило их масштабирование и предложило массовому производству отличное решение. Как утверждает Фред Каплан в книге «1959: год, изменивший всё», микрочип мог бы не получить такой популярности и развития, если бы не было крупных правительственных программ, особенно полётов на Луну и ракеты «Минитмен». Оба проекта нуждались в сложных системах наведения, которые должны были поместиться в очень маленькие носовые конусы. Министерство обороны требовало резко сократить занимаемый микрочипами объём, и первым, кто согласился на эти условия, был Гордон Мур.

«Пожалуй, Мур первым понял, что подход Fairchild к химической печати для создания микрочипа означал: они не только меньше размером, надёжнее и энергоэффективнее, чем обычные электронные схемы, но и производить такие микрочипы дешевле, – писал Дэвид Брок в специальном выпуске журнала Core[11]. – В начале 1960-х вся мировая полупроводниковая индустрия приняла подход Fairchild к созданию кремниевых микросхем, и для них появился рынок в военных областях, в частности в аэрокосмической отрасли».

Я взял интервью у Гордона Мура в мае 2015 года в Исследовательском центре в Сан-Франциско, во время празднования пятидесятой годовщины закона Мура. Хотя в то время ему сравнялось 86 лет, все его микропроцессоры определённо работали с огромной эффективностью! Как объяснил мне Мур, в конце 1964-го журнал «Электроника» попросил его представить для выпуска, посвящённого 35-летию журнала, статью, где рассказывалось бы о том, что произойдет в индустрии полупроводниковых компонентов в ближайшие десять лет. Поэтому он взял свои записи и просмотрел, что уже произошло к тому времени: Fairchild перешли от одного транзистора на чипе к чипу с примерно восемью элементами (транзисторами и резисторами), в то время как новые микросхемы, которые они собирались выпускать, уже имели 16 элементов – вдвое больше. А в лаборатории экспериментировали с тридцатью двумя элементами и представляли, как доберутся до шестидесяти четырех! Просматривая свой дневник, он заметил, что мощность удваивается каждый год, поэтому в статье для журнала и выдвинул предположение: подобное удваивание продолжится ещё как минимум десять лет.

Итак, в ставшей позднее знаменитой статье для «Электроники» от 19 апреля 1965 года – «Создание большего количества компонентов на интегральных схемах» – Мур заявил: «Сложность производства при минимальных затратах на компоненты возрастала за год примерно в два раза. Нет никаких оснований полагать, что этот рост не будет почти постоянным в течение как минимум десяти лет».

Позже Карвер Мид, профессор Caltech, инженер и друг Гордона Мура, назвал это заявление «законом Мура».

Полвека спустя Мур объяснял мне:

– Я смотрел на интегральные схемы – они действительно были новшеством в то время (им было всего несколько лет), и они стоили очень дорогио. Много спорили о том, почему им никогда не стать дешёвыми. Возглавив лабораторию, я начал понимать: если мы научимся размещать всё больше компонентов на чипе, это сделает электронику дешевле. Но я понятия не имел, насколько точным окажется прогноз. Знал лишь, в каком направлении шла общая тенденция развития микрочипов, поэтому пришлось указать какую-то причину, по которой важно было снизить стоимость электроники

Первоначальный прогноз охватывал десять лет: рост с 60 элементов на интегральной схеме до 60 тысяч – экстраполяция в тысячу раз. И прогноз сбылся! Но Мур понимал, что темпы роста вряд ли будут устойчивыми, поэтому в 1975-м обновил свой прогноз и сказал, что удвоение будет происходить примерно каждые два года, а цена на новые микрочипы останется почти такой же.

И закон Мура продолжил работать.

«Сам факт, что подобное происходит в течение пятидесяти лет, в самом деле удивителен, – признался Мур. – Вы понимаете, ведь всегда оставались технологические барьеры, которые легко можно предвидеть. Они должны были помешать сделать следующий шаг, но когда мы приближались к ним, инженеры находили способ так или иначе обойти возникшие ограничения».

Что ещё поразительно в статье Мура 1965 года, это сколько его предсказаний о возможностях стабильно улучшающихся микрочипов оказались верными.

…Домашние компьютеры, или, по крайней мере, терминалы, подключённые к центральному серверу. Автоматическое управление для автомобилей и персональное портативное оборудование связи. Электронные наручные часы. Технологии телефонной связи, интегральные схемы в мультиплексном оборудовании, разделяющие каналы, переключающие телефонные линии и обрабатывающие данные. Мощные и по-разному организованные компьютеры, которые производятся с меньшими затратами и с большим оборотом…

Можно сказать, Мур предвосхитил и персональный компьютер, и мобильный телефон, и беспилотные автомобили, и iPad, и большие данные, и Apple Watch. Помню, я даже пошутил тогда: единственное, что Мур пропустил, так это «попкорн из микроволновки».

Я спросил Мура, был ли такой момент, когда он пришёл домой и спросил у жены Бетти: «Дорогая, они и вправду назвали закон в мою честь?»

– В первые двадцать лет я не мог произнести термин «закон Мура» – мне было страшно неловко, – признался он. – Ведь это был даже не закон… Потом я наконец-то привык и теперь могу говорить о нём с невозмутимым лицом.

– Есть ли то, что ещё вы хотели предсказать, но не сделали? – допытывался я.

– Влияние Интернета меня поразило, – ответил Мур. – Казалось, будет просто ещё одна мелкая коммуникационная сеть, которая решит определённые проблемы. Нет, я не осознавал, что Интернет откроет целую вселенную новых возможностей. Вот что я хотел бы предсказать.

Существует так много замечательных примеров исполнения закона Мура, что трудно выбрать среди них фаворита. Один из лучших примеров предложил писатель Джон Ланчестер в эссе «Роботы идут», опубликованном 15 марта 2015 года в London Review of Books.

«В 1996 году, – писал Ланчестер, – в ответ на российско-американский мораторий на ядерные испытания 1992 года правительство США запустило программу под названием «Ускоренная стратегическая вычислительная инициатива» – ASCI. Приостановка испытаний привела к необходимости запуска сложных компьютерных симуляций возрастных изменений вооружений, находящихся на хранении (с точки зрения их безопасности), а также (да, мы живём в опасном мире!) для разработки новых типов вооружения, не нарушающих условия моратория».

Развивая этот пример, Ланчестер добавил ещё кое-что.

ASCI требовалось больше вычислительной мощности, чем могло быть предоставлено любым из существующих компьютеров. И для решения проблемы был создан ASCI Red – первый суперкомпьютер, обрабатывающий более одного терафлопа. «Флоп» – операция с плавающей запятой, другими словами, вычисление с использованием чисел, включающих десятичные точки (в вычислительном смысле процесс гораздо более требовательный, чем вычисления с двоичными единицами и нулями). Терафлоп – это триллион таких вычислений в секунду. В 1997-м Red заработал на полную мощность. Это был поистине выдающийся результат – его мощность достигала 1,8 терафлопа. Проще говоря 18, за которыми следуют 11 нулей. До конца 2000 года Red оставался самым мощным суперкомпьютером в мире….

Я играл на Red буквально вчера. Точнее, то был не Red, а другое устройство, но с мощностью 1,8 терафлопа. Этот аналог Red называется PS3 (PlayStation 3). Sony запустила его в производство в 2005 году, и уже в 2006-м оно появилось на полках магазинов. Размер Red был немногим меньше теннисного корта, потреблял электричества как восемьсот домов и стоил 55 миллионов долларов. А PS3 помещается под телевизором, работает от обычной розетки, и её можно купить менее чем за двести фунтов. За десятилетие компьютер, способный обрабатывать 1,8 терафлопа, превратился из супертехнологии, доступной лишь самому богатому правительству мира для вычислительных операций, казавшихся невероятными, в игрушку для подростка, которую он может получить в подарок на Рождество.

Теперь, когда закон Мура перешёл на вторую половину шахматной доски, далеко ли он сможет по ней зайти? Как мы уже говорили, микрочип состоит из транзисторов – миниатюрных переключателей. Они соединены крошечными медными проводами, которые действуют как трубы, по которым текут электроны. Принцип работы микросхемы заключается в том, что вы проталкиваете электроны настолько быстро, насколько возможно, через множество медных проводов на одной микросхеме. Когда вы посылаете электроны от одного транзистора к другому, то запускаете включение или выключение данного переключателя и таким образом выполняете какую-то вычислительную функцию. С каждым новым поколением микрочипов задача усложняется – надо протолкнуть электроны через всё более тонкие провода ко всё большему количеству меньших по размеру переключателей, чтобы всё быстрее открывать и перекрывать поток электронов и генерировать больше вычислительной мощности при минимально возможном количестве потребления энергии и выделения тепла. И при столь низкой стоимости, насколько только возможно.

– Но когда-нибудь это должно прекратиться, – считает Мур. – Подобные экспоненты не длятся вечно.

Однако мы ещё не достигли предела. В течение пятидесяти лет отрасль постоянно находила новые способы либо уменьшить размеры транзисторов примерно на 50 % при относительно одинаковых затратах (предлагая, таким образом, вдвое больше транзисторов по той же цене), либо установить то же количество транзисторов за половину стоимости. Этого можно добиться за счёт сокращения транзисторов и уменьшения толщины проводов. В некоторых случаях, чтобы поддерживать экспоненциальный рост примерно каждые 24 месяца или около того, требовалась разработка новых структур и материалов. Только один пример: самые ранние интегральные схемы использовали в микросхеме один слой алюминиевой подложки. Сегодня тринадцать медных слоёв, каждый из которых размещён поверх другого. Производство перешло на нанотехнологический уровень.

– Я, наверное, с десяток раз слышал, как закону Мура предсказывали остановку и забвение, – поведал мне генеральный директор Intel Брайан Кржанич. – Когда мы работали на уровне трёх микрон (0,001 миллиметра, или около 0,000039 дюйма), люди говорили: «Как мы сделаем что-то ещё меньше? Можем ли мы сделать пленку для таких устройств достаточно тонкой и можем ли уменьшить длину волны света, чтобы сформировать столь мелкие элементы?» Но каждый раз мы находили новые, прорывные решения. Никогда нельзя сказать, каким будет новый ответ на появляющиеся вызовы. Тем не менее каждый раз, подходя вплотную к новому барьеру, мы находили способ его преодолеть.

По правде говоря, признал Кржанич, последние две итерации закона Мура потребовали около двух с половиной лет, а не двух, так что некоторое замедление всё-таки произошло. Независимо от того, происходит ли экспонента раз в год, в два или в три года, важным моментом остаётся то, что благодаря постоянному нелинейному совершенствованию микрочипов мы постоянно производим машины, роботов, телефоны, часы, программное обеспечение и компьютеры умнее, быстрее, миниатюрнее, дешевле и эффективнее.

– Сейчас мы дошли в производстве до уровня четырнадцати нанометров, что намного меньше всего, что вы можете увидеть человеческим глазом, – объяснил Кржанич, ссылаясь на новейший микрочип Intel. – Чип может быть размером с ноготь, но на нём уместится более миллиарда транзисторов. Мы хорошо знаем, как достичь уровня десяти нанометров, и у нас есть способы для достижения семи и даже пяти нанометров. Помимо того, есть множество других идей, над которыми бьются наши сотрудники. Это типичная ситуация, так было всегда.

Исполнительный вице-президент Intel по технологиям и производству Билл Холт отвечает за соблюдение закона Мура. Он провёл для меня экскурсию в Портленде, Орегон, по заводу Intel, где изготавливают чипы. Я смотрел через защитное окно в стерильную комнату, где роботы двадцать четыре часа в сутки перемещают чипы из одного производственного процесса в другой, в то время как мужчины и женщины в белых халатах следят за тем, чтобы роботы были «счастливы» и исправно функционировали.

Холт не терпит тех, кто считает, будто бы закон Мура изживает себя. По его словам, сейчас ведётся так много исследований новых материалов, на которых можно будет уместить ещё больше транзисторов, потребляющих ещё меньше энергии и выделяющих ещё меньше тепла, что он уверен: через десять лет «нечто инновационное» придёт – и обеспечит закону Мура новый виток.

Однако, даже если новые материалы не будут найдены, важно помнить: с самого начала вычислительная мощность микрочипов улучшалась благодаря не только кремнию, но и совершенствованию софта.

– Более мощные микросхемы позволили создать более сложное программное обеспечение, а затем некоторые из этих программ использовали для ускорения самих микросхем – благодаря новым разработкам и оптимизации всей сложности процессов, которая росла на самом чипе, – отметил Крейг Манди.

Именно усиливающие друг друга прорывы в разработке микросхем и софта заложили основу недавних прорывов в области искусственного интеллекта, или АI[12]. Поскольку машины теперь могут получать и обрабатывать данные с невообразимыми ранее скоростями и объёмами, они способны распознавать закономерности и узнавать многое – подобно тому, как это делает наш биологический мозг.

А всё началось с того первого микрочипа и закона Мура.

– Многие люди предсказывали конец закону Мура множество раз, – заключил Холт, – и предсказывали по разным причинам. Единственное, что у них было общего, – все они ошибались.