החיפוש אחר מחשב מסוג חדש / ג’ון פוולוס

קצו של חוק מור מתקרב, ויצרניות השבבים משקיעות מיליארדים בפיתוח טכנולוגיות מחשוב חדשות

בחדר ישיבות זעיר ונטול חלונות, במטה המחקר והפיתוח של חברת אינטל, יצרנית המיקרו-מעבדים והמוליכים-למחצה המשפיעה בעולם, מסביר מארק בוהר בקור רוח שחוק מור המוכר מת זה מכבר. הדבר עשוי להיראות מפתיע בהתחשב בכך שבוהר, המנהל בחברה את תחום ארכיטקטורת התהליכים ושילובם, מצוי הלכה למעשה בעסקי חוק מור: התפקיד שלו הוא למצוא דרך להפוך את הטרנזיסטורים של אינטל, שרוחבם 14 ננומטרים, לקטנים פי שניים בתוך עשר שנים. אבל בוהר אינו ממצמץ מאחורי המסגרת העגולה של משקפיו: “עליכם להבין שעידן ההקטנה המסורתית של טרנזיסטורים, שבו לוקחים את המבנה ואת החומרים הבסיסיים ומקטינים אותם, הסתיים לפני עשר שנים בערך.”
ב-1965 פרסם גורדון מור, שהיה אז מנהל המחקר והפיתוח בחברת Fairchild Semiconductor, את המסמך בעל הכותרת הבוטה: “לדחוס יותר רכיבים למעגלים משולבים”. מור חזה שמספר הטרנזיסטורים שיהיה אפשר להכניס לשבב בעלות מיטבית יוכפל מדי שנה. עשר שנים לאחר מכן הוא עדכן את התחזית שלו, וזו הפכה להיות “חוק מור” המוכר: מספר הטרנזיסטורים בשבב מחשב יוכפל מדי שנתיים.
מעגלים משולבים הם מה שגורם למחשב לעבוד, ויישום חוק מור הוא שגורם למחשבים להתפתח. הטרנזיסטורים הם ה”אטומים” של החישוב האלקטרוני: מתגים זעירים המקודדים כל 0 ו-1 בזיכרון ובלוגיקה של המחשב כהבדלים במתח חשמלי. ולכן, אם מכפילים את מספר הטרנזיסטורים בשטח פיזי מסוים, אפשר להכפיל את כמות החישובים שאפשר לבצע באותה עלות. המיקרו-מעבד הראשון של אינטל לשימוש כללי, 8080, היה אחד הגורמים למהפכת המחשבים האישיים כשיצא לשוק ב-1974. מוט הסיליקון שבו, שאורכו חמישה סנטימטרים, הכיל 4,500 טרנזיסטורים. נכון לכתיבת שורות אלה, יחידות העיבוד המרכזי (CPU) לשרתים המתקדמים של אינטל, שהן השבבים הצפופים ביותר בשוק, מכילות 4.5 מיליארדי טרנזיסטורים ליחידה. במתקני הייצור (“פאב”) של אינטל בהילסבורו שבאורגון, תהליך הייצור המתקדם ביותר מסוגל לצרוב על מצע סיליקון תוואים שגודלם 14 ננומטרים בלבד: צרים יותר משוטונים של חיידקים. הגדילה המעריכית הזאת בצפיפות הטרנזיסטורים הפכה את מנועי החישוב של אמצע המאה ה-20, שהופעלו בשפופרות ריק וגודלם היה כגודל חדר, לפלאי הסיליקון הממוזערים של תחילת המאה ה-21.
אך אפילו חוק מור קורס בלחץ חוקי הפיזיקה, ובתוך עשר שנים לא תהיה עוד שום אפשרות לשמור על קצב המזעור חסר התקדים הזה. לכן, יצרניות שבבים כגון אינטל, IBM והיולט-פקרד (HP) משקיעות מיליארדים במחקר ופיתוח להתמודדות עם העולם שאחרי חוק מור. הדבר מחייב נטישה של הנחות יסוד לגבי אופן הפעולה של הטכנולוגיה שלנו. האם שבב מחשב חייב להיות מערך דו-ממדי של חוטים צרובים בסיליקון? חברת IBM חושבת שלא, והיא חוקרת לעומק את אפשרות השימוש בצינוריות-ננו עשויות פחמן ובגְרפֵן כמצע למחשוב. ומה בדבר האלקטרונים, האם הם חיוניים? ב-IBM וב-HP מהמרים גם על פוֹטוֹניקה, שבה הבזקי אור קצרים מחליפים את המתחים החשמליים.
ב-HP מרחיקים לכת מזה: החברה מעוניינת להרחיב את עצם התיאוריה הבסיסית של האלקטרוניקה. מהנדסי החברה בנו אבטיפוס של מחשב, בשם קוד “המכונה”, שעושה שימוש ב”חוליה החסרה” של האלקטרוניקה: המֶמו-ריסטור. רכיב זה, שתואר באופן מתמטי לפני עשרות שנים אך פותח רק לאחרונה, מאפשר שילוב של תכונות האחסון והזיכרון בגישה אקראית (RAM) של המחשב. בזכות מֶמו-ריסטורים, המטאפורה המקובלת של ה-CPU כ”מוח” של המחשב תהיה למדויקת יותר מאשר לגבי טרנזיסטורים, מכיוון שמֶמו-ריסטורים פועלים באופן דומה יותר לנוירונים: הם משדרים ומקודדים מידע, וגם מאחסנים אותו. שילוב כזה בין זיכרון נדיף ובין אחסון לטווח ארוך יוכל להגדיל באופן דרמטי את היעילות ולצמצם את “צוואר הבקבוק של פון נוימן”, שהגביל את המחשוב במשך חצי מאה.
אף אחת מן הטכנולוגיות האלה לא תוכל להחליף, או אפילו לחזק, בשנים הקרובות את השבבים במחשבים הניידים ובסמארטפונים שלנו. עם זאת, עד סוף העשור, לפחות אחת מהן חייבת להגיע לביצועים חישוביים ברמה שתאפשר לה להחליף את הנדסת מעגלי הסיליקון המסורתית, כשזו תגיע לקִצה הבלתי-נמנע. השאלה היא מי מן הטכנולוגיות, ומתי.

מעבר לסיליקון

הרעיון של חוק מור פשוט: הקטנת הטרנזיסטורים פי שניים פירושה כפליים ביצועים חישוביים באותה עלות. בפועל, הסיפור תמיד היה מורכב יותר. המאמר של מור מ-1965 אולי חזה מה יקרה לצפיפות הטרנזיסטורים מדי שנתיים, אך הוא לא הסביר איך הצפיפות המוגברת הזאת תביא להכפלה בביצועים. נדרשו תשע שנים נוספות עד שרוברט דֶנַרְד, מדען ב-IBM, פרסם הסבר המוכר כיום בשם “קנה המידה של דֶנַרְד”. בהסבר זה תיאר כיצד צפיפות ההספק של רכיבי MOSFET, הטכנולוגיה השלטת ב-1974, נשארת קבועה גם כשהם קטנים יותר. במילים אחרות, כיווץ הטרנזיסטורים מביא לכך שגם המתח והזרם החשמליים הדרושים למיתוג שלהם פוחתים.

במשך שלושים שנה, שימש קנה המידה של דֶנַרְד ככוח המניע הסודי של חוק מור והבטיח שיפורים רצופים בביצועי המחשבים, שעזרו לאנשים לפתוח עסקים, לעצב מוצרים, לרפא מחלות, לנווט חלליות ולבצע דמוקרטיזציה של הרשת. ואז קנה המידה חדל לפעול. ברגע שמתקני הייצור החלו לצרוב בסיליקון תוואים קטנים מ-65 ננומטרים (כחצי מאורכו של נגיף HIV), גילו מתכנני השבבים שאלקטרונים החלו “לדלוף” מן הטרנזיסטורים שלהם בגלל השפעות של מכניקת הקוואנטים. ההתקנים נעשו קטנים מכדי לעבור באופן אמין ממצב “דלוק” ל”כבוי”, ומחשב דיגיטלי שאינו מסוגל להבדיל בין 0 ל-1 הוא בבעיה קשה. חוקרים ב-IBM ובאינטל גילו גם “מחסום תדר”, שמגביל את המהירות שבה CPU מבוסס סיליקון יכול לבצע פעולות לוגיות, בערך ארבעה מיליארדי פעולות בשנייה, בלי שיימס מעודף חום.

מבחינה טכנית, חוק מור יכול להמשיך (ואכן עשה זאת): אינטל המשיכה לדחוס טרנזיסטורים קטנים יותר ויותר למצעי הסיליקון שלה מדי שנתיים, אך הדבר לא היתרגם במישרין למחשבים זולים ומהירים יותר.

מאז שנת 2000, מהנדסי השבבים שנתקלו במכשולים האלה פיתחו פתרונות עקיפים מתוחכמים. הם התחמקו ממחסום התדר באמצעות יצירה של שבבים מרובי ליבות (מעבד במהירות 10 ג’יגה-הרץ ישרוף את עצמו, אך ארבעה, שמונה או שישה-עשר מעבדים של 3 ג’יגה-הרץ שעובדים יחד לא ייפגעו). הם חסמו את הטרנזיסטורים הדולפים ב”שערים משולשים” ששולטים בזרם החשמלי משלושה צדדים במקום אחד בלבד. הם גם בנו מערכות שמאפשרות למעבדים לבצע מיקור חוץ של משימות קשות במיוחד לעוזרים ייעודיים (המסך של אייפון 6, לדוגמה, מנוהל על ידי מעבד גרפי ייעודי בעל ארבע ליבות). אבל כל הטלאים האלה אינם משנים את העובדה שלעידן הקטנת התקני הסיליקון נותר פחות מעשור להתקיים.

זאת הסיבה שכמה יצרניות שבבים מחפשות דרכים להיפטר מן הסיליקון. ב-2014 הכריזה IBM שהיא מקצה שלושה מיליארדי דולרים למחקר קדחתני של צורות שונות של מחשוב מעבר לסיליקון. החומר המצוי במוקד החקירה הוא גְרפֵן: יריעות של פחמן שעוביין אטום אחד בלבד. בדומה לסיליקון, לגרפן יש תכונות שימושיות לאלקטרוניקה, שנשארות יציבות על פני טווח רחב של טמפרטורות. יתרון נוסף הוא שהאלקטרונים עוברים דרכו במהירויות יחסותיות, והיתרון החשוב ביותר הוא שהתקני גרפן מתמודדים גם עם שינויים בקנה המידה, לפחות במעבדה. כבר נבנו טרנזיסטורים מגרפן שמסוגלים לפעול במהירויות גדולות פי מאות ואלפים מהתקני הסיליקון המובילים, עם צפיפות הספק סבירה, אפילו מתחת לסף חמשת הננומטרים שבו סיליקון נכנע לאפקטים הקוואנטיים.

מה שחסר לגרפן לעומת הסיליקון הוא “פער הפסים”, הפרש אנרגיה בין האורביטלים שבהם האלקטרונים כבולים לאטום, לבין אלה שבהם האלקטרונים חופשיים לנוע ולגרום למוליכות חשמלית. במתכות, למשל, אין פער כזה: הן מוליכות “טהורות”. בלי פער אנרגיה כזה, קשה מאוד לעצור את הזרימה ולהעביר את הטרנזיסטור ממצב דלוק לכבוי, ולכן טרנזיסטור הגרפן אינו יכול לקודד לוגיקה דיגיטלית באופן מהימן. “היינו המובילים בתחום זה,” מודה סופרטיק גוהא, מנהל המדעים הפיזיקליים במרכז המחקר על שם תומס ג’ ווטסון של IBM, “אך התוצאות שהשגנו עם גרפן לא היו מעודדות. הוא חייב להיות זול מאוד וגם להציע יתרון ייחודי כדי לתפוס את מקומם של החומרים הקיימים. יש לו תכונות מעניינות מאוד, אך לא הצלחנו לזהות בו את היישום המנצח.”

צינוריות-ננו פחמניות עשויות להצליח יותר. כשמגלגלים יריעות גרפן לגלילים חלולים נוצר בהם פער פס קטן, שמעניק להם תכונות של מוליכים למחצה בדומה לתכונות של סיליקון. כך נפתחת מחדש האפשרות להשתמש בהן ליצירת טרנזיסטורים דיגיטליים. “אנחנו אופטימיים וזהירים,” אומר גוהא. “כהתקנים יחידים, צינוריות-ננו פחמניות בקנה מידה של עשרה ננומטרים מתפקדות טוב יותר מכל דבר זמין אחר. אם להסתמך על הסימולציות שלנו של מערכות מחשוב שנעזרות בצינוריות-ננו פחמניות, נוכל לצפות לשיפור של פי חמישה [לעומת סיליקון] בביצועים או ביעילות האנרגטית.”
אלא שצינוריות-ננו פחמניות הן מבנים עדינים. אם קוטר השפופרת, או הכירליות שלה (הזווית שבה האטומים “מגולגלים”), משתנים אפילו במעט, הפער בין הפסים עלול להיעלם והיא תהפוך לחסרת תועלת כרכיב במעגל דיגיטלי. המהנדסים יצטרכו גם למצוא דרך להציב מיליארדי ננו-שפופרות בשורות מסודרות ובמרחק ננומטרים ספורים זו מזו, באמצעות אותה טכנולוגיה שעליה מסתמכים מתקני הייצור של הסיליקון כיום. “כדי שצינוריות הננו הפחמניות יהיו יורשות ראויות של הסיליקון, אנחנו צריכים לפתור את כל זה בתוך שנתיים -שלוש,” אומר גוהא.

לשבור את מחסום הזיכרון

“מהו הנדל”ן הכי יקר על פני כדור הארץ?” שואל אנדרו ווילר. “הנה, כאן.” הוא מצביע על תיבה שצוירה בטוש שחור על לוח מחיק, שמייצגת את פיסת הסיליקון שבתוך שבב. ווילר, איש גבוה ורזה בעל לסת מרובעת, לבוש בג’ינס ובחולצת כותנה משובצת, דומה יותר לקאובוי-לשעבר מאשר לסמנכ”ל מעבדות HP, זרוע המחקר של היולט פקארד. הוא מסביר שבפועל רוב הטרנזיסטורים שתופסים את המקום היקר הזה אינם משמשים למחשוב, אלא ל”זיכרון מטמון”, או זיכרון גישה אקראית סטטי (SRAM), שכל תפקידו הוא לאחסן הוראות שהגישה אליהן מתבצעת לעתים קרובות. זוהי המקבילה בסיליקון לשולחן העבודה במחשב האישי: המקום שבו אתם שמים דברים שאתם אינכם רוצים לחפש כל פעם מחדש. ווילר רוצה שהזיכרון הזה ייעלם – אך הוא מקדים את המאוחר, ובשלב זה יסתפק בהיפטרות מן הכונן הקשיח ומן הזיכרון הראשי של המחשב.
על פי HP, שלושת הפריטים האלה, הקרויים יחד בשם “היררכיית הזיכרון” שבה ה-SRAM בפסגה והכוננים הקשיחים בבסיס, אחראים לרוב הבעיות שבהן נתקלים המהנדסים המתמודדים עם חוק מור. מעבדים מהירים יותר הם חסרי תועלת ללא זיכרון מהיר בעל קיבולת גדולה, שיאחסן את הביטים ויעביר אותם מהר ככל האפשר.
כדי לשבור את “מחסום הזיכרון” הזה, תכנן הצוות של ווילר בפאלו אלטו שבקליפורניה מחשב מסוג חדש, “המכונה”, שמנסה לחמוק ממגבלות היררכיית הזיכרון באמצעות איחוד שלה לשכבה אחת ויחידה. בהיררכיית הזיכרון, כל שכבה מצטיינת בדברים מסוימים וכושלת באחרים. זיכרון SRAM הוא מהיר ביותר, כך שהוא יכול לעמוד בקצב של המעבד, אך הוא זולל אנרגיה ובעל קיבולת נמוכה. הזיכרון הראשי, זיכרון גישה אקראית דינמי (DRAM), הוא מהיר למדי, צפוף ועמיד, וזה טוב מכיוון שזהו המצע שעליו המחשב מריץ את היישומים הפעילים. אבל הפסקת חשמל גורמת לכל התוכן שבו להיעלם, ולכן נדרשים אמצעי אחסון “בלתי נדיפים”, כגון כונני פלאש וכוננים קשיחים, לשמירה של נתונים לטווח ארוך. לאלה יש קיבולת גבוהה וצריכת חשמל נמוכה, אך הם אִטיים להחריד, וזיכרון פלאש מתבלה די מהר. מכיוון שהיתרונות והחסרונות של סוגי הזיכרון השונים משלימים זה את זה, המחשבים המודרניים משלבים אותם כדי שהמעבדים יוכלו להעביר מידע במעלה ובמורד ההיררכיה ביעילות רבה ככל האפשר. “זהו פלא הנדסי,” אומר ווילר, “אך גם בזבוז משווע.”

ווילר אומר שזיכרון אוניברסלי, שישלב את המהירות של SRAM, העמידות של DRAM והקיבולת והיעילות האנרגטית של פלאש, נחשב כבר עשרות שנים גביע קדוש של מהנדסים, מתכננים ומתכנתים. “המכונה” עושה שימוש ברכיב אלקטרוני הקרוי מֶמו-ריסטור, כדי לעמוד בשתי הדרישות האחרונות. שמו של הרכיב הזה הוא קיצור באנגלית של “נגד בעל זיכרון”, בשל יכולתו להוליך חשמל בהתאם לכמות הזרם שעברה בו קודם לכן. מבחינה מתמטית חזו אותו ב-1971, ובמשך זמן רב סברו שאי אפשר לבנות אותו. אבל ב-2008 הכריזה HP שהיא הצליחה לבנות מֶמו-ריסטור פועל. תכנית המחקר הועלתה על המסלול המהיר והפכה לבסיס ל”מכונה”.
חשיפה קצרה של תא זיכרון מסוג מֶמו-ריסטור למתח חשמלי יכולה לשנות את מצב המוליכות שלו, וכך ליצור את ההפרדה הברורה בין “פועל” ל”כבוי” הדרושה לאחסון מידע דיגיטלי. בדומה למתרחש בזיכרון פלאש, מצב הרכיב נשמר גם כשהזרם פוסק, ובדומה לזיכרון DRAM אפשר לצופף את התאים מאוד, ולקרוא מהם ולכתוב עליהם במהירות גבוהה.

עם זאת, כדי להשיג ביצועים ברמה של SRAM, צריך להציב את תאי המֶמו-ריסטורים סמוך למעבד הראשי, על אותה פיסת סיליקון, וזהו סידור לא מעשי מבחינה פיזיקלית בטכנולוגיה של היום. במקום זאת, ב-HP מתכננים לחבר בין זיכרון המֶמו-ריסטורים המהיר לבין זיכרונות המטמון SRAM המצויים בשבבים הלוגיים באמצעות פוטוניקה: העברה של ביטים כהבזקים של אור לייזר במקום זרם חשמלי. אין זה בדיוק הגביע הקדוש של זיכרון אוניברסלי, מכיוון שהיררכיית הזיכרון ב”מכונה” מתכווצת משלוש שכבות לשתיים בלבד, אך זה מתקרב.

מחשבים בעלי ארכיטקטורה שתתבסס על מֶמו-ריסטורים המשלבים RAM עם אחסון בלתי נדיף, כגון “המכונה”, יוכלו להביא לשיפורים גדולים בביצועי המחשבים בלי להסתמך על מזעור בנוסח חוק מור. מחשב-העל ווטסון של IBM, בגרסה שניצחה את המתמודדים האנושיים במשחק Jeopardy ב-2011, נזקק ל-16 טרה-בייט של DRAM, שאוחסנו בעשרה ארונות של שרתי לינוקס זוללי-כוח, כדי לבצע את משימתו בזמן אמת. אותה כמות של זיכרון פלאש בלתי נדיף יכולה להיכנס לקופסת נעליים, ולהזדקק לאותה כמות חשמל כמו מחשב נייד טיפוסי. ארכיטקטורת זיכרון שתשלב את שתי הפונקציות תאפשר להחזיק בזיכרון פעיל כמויות עצומות של נתונים לעיבוד בזמן אמת, במקום לקצוץ אותם לגושים קטנים סדרתיים, ובעלויות אנרגיה נמוכות בהרבה.

לדברי ווילר, ככל שמצטרפים עוד ועוד התקנים מחוברים ל”אינטרנט של הדברים”, עתידו של חוק מור מוטל עוד יותר בספק, בגלל בעיית ההזרמה של אינספור פטה-בייטים של מידע הלוך ושוב אל מרכזי מידע לאחסון ולעיבוד. אם זיכרון אוניברסלי יצליח לדחוס יכולות של מחשב-על למארזים קטנים וחסכוניים יותר, נוכל לאחסן ולבצע עיבוד מוקדם של הנתונים האלה באופן מקומי, בהתקנים המחוברים עצמם. אם מחסום הזיכרון יישבר, לא יהיה לנו כבר אכפת אם מעבדי הסיליקון לא יהיו לעולם קטנים יותר משבעה ננומטרים או מהירים יותר מארבעה גיגה-הרץ.

אחרי פון נוימן

אפילו אם תצליח HP במהלך שלה ליצירת זיכרון אוניברסלי, המחשבים יישארו כפי שהיו מאז ENIAC, המחשב הרב-תכליתי הראשון, שנבנה ב-1946: מחשבונים מהירים מאוד. התכנון הבסיסי שלהם, שנוסח באופן פורמלי על ידי המתמטיקאי ג’ון פון נוימן ב-1945, כולל יחידת עיבוד לביצוע הוראות, מאגר זיכרון לאחסון ההוראות האלה והנתונים שעליהם הן מבוצעות, וחיבור (“ערוץ”) המקשר בין השניים. ארכיטקטורת פון נוימן מותאמת באופן מיטבי להרצה לינארית של הוראות סימבוליות, מה שאנחנו קוראים בשם “פעולות חשבון”. המחשבים הראשונים היו למעשה בני אדם שקיבלו כסף כדי לשבת בחדר ולבצע חישובים ידניים, ולא במקרה תכננו את המחשבים האלקטרוניים כדי לבצע באופן אוטומטי ובפחות שגיאות את אותו תהליך מתיש.

כיום, אנחנו זקוקים יותר ויותר למחשבים לביצוע משימות, שאי אפשר לתרגם היטב להוראות מתמטיות לינאריות: משימות כגון זיהוי אובייקטים מסוימים בסרטי וידאו שנמשכים שעות רבות, או הנחיה של רובוטים עצמאיים באזורים משתנים או מסוכנים. למשימות כאלה יש יותר מן המשותף עם יכולות החישה והתאמת הדפוסים של מוחות ביולוגיים מאשר עם מחשבונים מכניים. אורגניזמים צריכים לחלץ מן הסביבה בזמן אמת מידע שיאפשר קבלת החלטות. אם זבוב היה צריך להעביר הוראות בדידות הלוך ושוב, זו אחר זו, בין מודולי זיכרון ועיבוד נפרדים במוח שלו, הוא לא היה מצליח להשלים את החישוב בזמן כדי לחמוק מן העיתון המגולגל.

דַרמֶנְדרָה מוֹדָה, מייסד הקבוצה לחישוב קוגניטיבי ב-IBM, רוצה לבנות שבבי מחשב שיהיו “חכמים” לפחות כמו זבוב הבית, ויעילים מבחינה אנרגטית באותה מידה. המפתח, לדבריו, הוא לנטוש את ארכיטקטורת פון נוימן דמוית-המחשבון. במקומה, הצוות שלו מנסה להגיע בסופו של דבר לחיקוי של העמודות בקליפת המוח של יונקים, שמעבדות, מעבירות ומאחסנות מידע באותו מבנה, בלי ערוצים היוצרים צווארי בקבוק. לאחרונה חשפה IBM את שבב TrueNorth, שמכיל יותר מחמישה מיליארד טרנזיסטורים, מסודרים ב-4,096 ליבות נוירו-סינפטיות המדמות מיליון תאי עצב ו-256 מיליוני חיבורים סינפטיים.

הסידור הזה מצליח לבצע התאמת דפוסים בזמן אמת, בתקציב אנרגטי של סמן לייזר. מוֹדָה מצביע על מסך בפינת חדר ההדגמה שבקמפוס המחקר אלמדן של IBM בסן חוזה שבקליפורניה. במסך מוצגת תמונה שנראית כמו צילום אבטחה ממצלמה שזקוקה לשיפוץ דחוף: מכוניות, הולכי רגל ואופניים קופאים במקומם בכיכר תנועה. אחד מהולכי הרגל מסומן במסגרת אדומה שצוירה על גבי התצוגה. דקה לאחר מכן, המכוניות, האנשים והאופניים קופצים לתנוחה קפואה אחרת, כאילו הסרטון קפץ קדימה.
“אתה מבין, אלה אינן תמונות סטטיות,” מסביר מוֹדָה. “זהו וידאו מן הקמפוס בסטנפורד, שעבר ניתוח במחשב נייד המדמה את שבב TrueNorth. הוא פשוט רץ פי אלף לאט יותר מן השבב.” שבב TrueNorth האמיתי, שפועל בדרך כלל לניתוח הווידאו, שימש באותו זמן בהדרכה פנימית באודיטוריום הסמוך, כך שלא יכולתי לראות אותו בפעולה. אלמלא כן, אומר מוֹדָה, הווידאו היה מוצג בזמן אמת, והמסגרות האדומות הקטנות היו עוקבות בצורה חלקה אחר הולכי הרגל מרגע הכניסה למסגרת התמונה ועד היציאה ממנה.

כמו למקביליהם בארכיטקטורת פון נוימן, גם להתקנים נוירו-סינפטיים כגון TrueNorth יש חולשות מובנות. “אתם לא תרצו להריץ את מערכת ההפעלה iOS על השבב הזה,” אומר מוֹדָה. “כלומר, זה אפשרי, אבל זה יהיה מאוד לא יעיל, בדיוק כפי שהמחשב כאן אינו מעבד ביעילות את הווידאו.” חברת IBM מתכוונת לרתום את היכולות של שתי הארכיטקטורות: אחת לחישובים לוגיים מדויקים והשנייה להתאמת דפוסים אסוציאטיבית מהירה, ליצירה של מערכת מחשוב הוליסטית.

בחזון הזה, לניסוח הקלאסי של חוק מור יש עדיין משמעות. הצוות של מוֹדָה כבר חיבר 16 שבבי TrueNorth ללוח אחד, ועד סוף 2015 הם מתכוונים לערום שמונה לוחות במכשיר אחד, בגודל מצנם ועם צריכת חשמל של מאה ואט, בעל יכולות מחשוב ש”כדי לדמות אותן בסימולציה יידרש מרכז מחשוב שלם.”

במילים אחרות, הסיליקון וספירת הטרנזיסטורים עדיין חשובים, אך מה שחשוב עוד יותר הוא האופן שבו הם מסודרים. “זו הייתה התובנה שלנו,” אומר מוֹדָה. “בעזרת סידור-מחדש של אבני הבניין, הבניין עצמו מקבל פונקציונליות שונה לגמרי. אנשים רבים, וגם אנחנו בתחילת הדרך, סברו שצריך לשנות את הטכנולוגיה כדי להשיג יתרון. בפועל, התברר שגם אם טכנולוגיה חדשה יכולה להביא יתרונות, ארכיטקטורה אחרת יכולה להביא לשיפור עצום בביצועים, בעלות נמוכה הרבה יותר.”

חוקי מור

בינתיים, בבניין RA3 בהילסבורו, מייקל מייברי, מנהל מחקר הרכיבים באינטל, מפריך מיתוס נוסף על חוק מור: הוא מעולם לא עסק באמת בטרנזיסטורים. “שם המשחק הוא עלות לתפקוד,” הוא אומר. לא משנה אם מודדים טרנזיסטורים לסנטימטר מרובע של סיליקון, הוראות קוד שמבוצעות בשנייה או ביצועים לכל ואט, מה שחשוב זה לבצע עבודה רבה יותר עם פחות משאבים. אין זה מפליא שבאתר האינטרנט של אינטל, חוק מור אינו מוצג כמגמה טכנולוגית או כחוק טבע, אלא כמודל עסקי.

“כשמישהו שואל אותי ‘מה בחוק מור גורם לך לנדודי שינה?’ אני עונה ‘אני ישן מצוין,'” אומר מייברי. “לא עצרנו כשקנה המידה של דֶנַרְד הגיע לקִצו, פשוט השתנינו. אם מסתכלים 15 שנים קדימה, אפשר לראות כמה שינויים שיתרחשו, אבל אין זה אומר שנעצור.” הדבר שאינטל, IBM ו-HP מסכימות עליו הוא שעתיד ביצועי המחשוב, כלומר האופן שבו תספק התעשייה ביצועים משופרים בעלות מופחתת, לא ייראה עוד כמו קו או עקומה, אלא דומה יותר לעץ מרובה-הענפים של האבולוציה הביולוגית עצמה.

הסיבה לכך היא האבולוציה שעובר החזון שלנו לגבי המחשבים עצמם. מתברר שאיננו רוצים מכונות חושבות עצמאיות ויודעות-כול, כפי שהעריכו רבים מסופרי המדע הבדיוני בסוף המאה ה-20. לא חוק מור מגיע אל קִצו, אלא העידן של המחשוב הכללי היעיל שתיאר חוק מור ואפשר, או כפי שמנסח זאת מייברי, “לדחוס כל מה שאפשר לתוך קופסה.”

במקום זאת, הגורם שיניע את המרוץ הבלתי פוסק להקטנת העלות לתפקוד יהיה המחשוב ההטרוגני, וחוק מור יתפצל לכמה חוקי מור. חברות כמו אינטל, IBM, HP ואחרות ישלבו לא רק מעגלים, אלא מערכות שלמות שיהיו מסוגלות לעמוד בדרישות ההולכות ומתרבות של עומסי חישוב נפרדים. ברנרד ס’ מאיירסון מ-IBM אומר שאנשים קונים פונקציות, לא שבבי מחשב, ולמעשה הם מתעניינים פחות ופחות בקנייה של מחשבים בכלל. אנחנו בסך הכול רוצים שהכלים שלנו יבצעו חישובים, או “יחשבו”, בדרכים שיהפכו אותם למועילים בהקשרים שבהם אנו עובדים אִתם. במקום המחשב הסופר-אינטליגנטי HAL מן הסרט 2001: אודיסאה בחלל, יש לנו Google Now בסמארטפון שאומר לנו מתי לצאת לשדה התעופה כדי להגיע לטיסה בזמן.
עתידנים כמו ניק בוסטרום (מחבר הספר “סופר-אינטליגנציה: מסלולים, סכנות וגישות”) מניחים שחוק מור יגרום לבינה מלאכותית כללית להתפתח ולהתגבש לכעין ישות דיגיטלית כל-יודעת וכל-יכולה. המחשוב ההטרוגני, לעומת זאת, מורה על כך שהמחשוב יחלחל כלפי חוץ למערכות, לנישות ולעצמים שהיו בעבר “טיפשים”. דברים כגון מכוניות, נתבי רשת, ציוד אבחון רפואי ושרשרות אספקה קמעונאיות יקבלו גמישות אוטונומית-למחצה ויכולות ספציפיות להקשר, ברמה של חיות בית. במילים אחרות, בעולם שאחרי חוק מור המחשבים לא יהפכו לאלים, אלא יתפקדו כמין כלבים חכמים מאוד.
ובדיוק כשם שכלב דני ענק אינו בנוי לתפקידיו של טרייר, כך מעבד גרפי אינו בנוי לבצע עבודה של מעבד ראשי. ווילר מ-HP נותן דוגמה של ליבות עיבוד ייעודיות מרובות ה”מוברגות” למאגר של זיכרון אוניברסלי בסדר גודל של פטה-בייטים: שילוב של עוצמת עיבוד ושל זיכרון עצום, שפועל באופן דומה לצורה שבה מאיצים גרפיים וזיכרונות מטמון מסודרים סביב משאבי CPU ריכוזיים כיום.

ב-IBM, מוֹדָה רואה בעיני רוחו התקנים בגודל כדור גולף, עם שבבים קוגניטיביים מחוברים למצלמות זולות, שאפשר להשליך לאזורים שנפגעו באסונות טבע ולזהות תבניות ספציפיות מאוד, כגון ילדים פצועים. מדען המחשבים לאון צ’ואה מאוניברסיטת קליפורניה שבברקלי, שהעלה לראשונה את רעיון המֶמו-ריסטורים ב-1971, אומר שניסיונותיה של HP למוטט את היררכיית הזיכרון והמחקר של IBM על המצאה-מחדש של המעבד הראשי הם תגובות משלימות למה שהוא מכנה “צוואר הבקבוק הגדול של הנתונים.” לדבריו, “זה מדהים, שהמחשבים ששימשו אותנו לכל דבר בארבעים השנים האחרונות עדיין מבוססים על אותו רעיון” של ארכיטקטורת פון נוימן דמוית המחשבון. המעבר בשתי חזיתות למחשוב הטרוגני הוא “בלתי נמנע,” אומר צ’ואה, ו”ייצור כלכלה חדשה לגמרי”, בין השאר, כי המחשוב שאחרי חוק מור ופון נוימן יצריך שיטות חדשות לגמרי של תכנות ועיצוב מערכות. לטענתו, חלק גדול מאוד ממדעי המחשב, ההנדסה ועיצוב השבבים עוסק בהסוואת המגבלות המובנות של היררכיית הזיכרון ושל ארכיטקטורת פון נוימן על המחשוב, ולכן ברגע שיוסרו המגבלות האלה, “כל מתכנת מחשבים יצטרך לחזור לבית הספר.”
הדבר שצ’ואה, וילר ומוֹדָה אינם מזכירים בתחזיותיהם לעתיד הקרוב הוא טרנזיסטורים, או שיפורי הביצועים שהעולם התרגל לצפות מהם. לדברי מאיירסון מ-IBM, מה שחוק מור תיאר במדויק במשך חצי מאה, קשר ברור בין צפיפות גדלה של טרנזיסטורים ובין עלות יורדת לתפקוד, עשוי להיות למעשה רק צירוף מקרים זמני. “אם נסתכל על ארבעים השנים האחרונות במוליכים למחצה, נראה דופק סדיר מאוד,” אומר מאיירסון. “הקִדמה לא תעצור, אבל הטכנולוגיה פיתחה הפרעה בקצב הלב.”

על המחבר

ג’ון פוולוס (Pavlus) הוא כתב ובמאי שמתמקד בנושאי מדע, טכנולוגיה ועיצוב. עבודותיו התפרסמו, בין השאר, ב-Wired, ב-Nature וב-MIT Technology Review.

בקיצור

התקדמות בתחום המחשוב תלויה בחוק מור: הרעיון ולפיו בכל שנתיים מוכפל מספר הטרנזיסטורים בשבבי מחשב. אלא שחוקי הפיזיקה שמים גבול להקטנה הזאת, ובקרוב יגיעו המהנדסים לגבול הזה.

לכן, יצרניות שבבים משקיעות מיליארדי דולרים בפיתוח ארכיטקטורות מחשוב ועיצובי שבבים חדשים לגמרי, שחלקם מבוססים על חומרים חדשים. רעיונות שנחקרו זמן רב במעבדות נבדקים כעת בתעשייה במלוא המרץ.

מוקדם מדי לדעת איזו טכנולוגיה תנצח. התוצאה הסבירה ביותר היא שטכנולוגיות מסוימות ישמשו לביצוע משימות מסוימות, שבעבר הוטלו על יחידת עיבוד מרכזי יחידה. חוק מור, ביחיד, יוחלף בכמה חוקי מור.

עוד בנושא

Cramming More Components onto Integrated Circuits. Gordon E. Moore in Electronics, Vol. 38, No. 8, pages 114-117; April 19, 1965.
Memristor: The Missing Circuit Element. L. O. Chua in IEEE Transactions on Circuit Theory, Vol. 18, No. 5, pages 507-519; September 1971.
Design of lon-Implanted MOSFET’s with Very Small Physical Dimensions. R. H. Dennard et al. in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 9, No. 5, pages 256-268; October 1974.
Carbon Nanotubes: The Route toward Applications. Ray H. Baughman et al. in Science, Vol. 297, pages 787-792; August 2, 2002.

Superintelligence: Paths, Dangers, Strategies, Nick Bostrom, Oxford University Press, 2014

עשרים השנים הבאות של המיקרו-שבבים, סיינטיפיק אמריקן ישראל, גיליון אפריל-מאי 2010, עמוד 48;

פשוט להוסיף זיכרון, מסימיליאנו די ונטרה ויורי ו’ פרשין, סיינטיפיק אמריקן ישראל, גיליון יוני-יולי 2015, עמוד 50;

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל