ИИ возрождает эпоху микросхем: новый виток технологической революции

23 сентября 2024

В самом сердце Кремниевой долины, на месте бывшего сарая для упаковки абрикосов, сегодня стоит неприметное офисное здание. Перед ним — необычные скульптуры, напоминающие гигантские электронные компоненты. Этот адрес — 391 San Antonio Road в Маунтин-Вью, штат Калифорния — можно по праву назвать местом рождения современной компьютерной эры. Именно здесь в 1956 году Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, основал Лабораторию полупроводников Шокли, положив начало удивительной истории технологического прогресса.

От первых транзисторов к Кремниевой долине

Хотя компания Шокли не добилась коммерческого успеха, она стала катализатором революции в мире электроники. В 1957 году восемь сотрудников Шокли, прозванных им «предательской восьмеркой», покинули лабораторию, чтобы основать Fairchild Semiconductor. Среди них были Гордон Мур и Роберт Нойс, будущие основатели Intel, а также Юджин Клейнер, один из пионеров венчурного капитала. Эти люди заложили фундамент экосистемы Кремниевой долины, ставшей синонимом технологических инноваций.

Революция полупроводников

До появления полупроводниковых компонентов компьютеры представляли собой громоздкие устройства размером с комнату, использующие хрупкие вакуумные трубки. Полупроводники — материалы, в которых можно управлять потоком электрического тока — позволили создать более надёжные, универсальные и компактные электронные компоненты.

Переход на кремний в качестве основного материала для производства полупроводников открыл дорогу к созданию интегральных схем — миниатюрных устройств, объединяющих множество транзисторов, диодов и других компонентов на одном кристалле. Это стало настоящим прорывом, позволившим значительно уменьшить размеры компьютеров и увеличить их производительность.

Закон Мура и экспоненциальный рост вычислительных мощностей

В 1965 году Гордон Мур, работавший тогда в Fairchild Semiconductor, сделал наблюдение, ставшее впоследствии известным как «закон Мура». Он заметил, что количество транзисторов, которые можно разместить на кристалле интегральной схемы, удваивается примерно каждые два года. Это эмпирическое правило оказалось удивительно точным на протяжении десятилетий и стало своеобразным ориентиром для всей полупроводниковой индустрии.

Прогресс в области миниатюризации транзисторов поистине впечатляет. Если в 1971 году на квадратном миллиметре кристалла размещалось около 200 транзисторов, то в 2023 году процессор AMD MI 300 вмещает уже 150 миллионов транзисторов на той же площади. При этом современные транзисторы работают в тысячи раз быстрее своих предшественников полувековой давности.

От аппаратного обеспечения к программному и обратно

История развития компьютерной индустрии — это история смены лидеров и парадигм. В 1970-х годах доминировала IBM, производившая как аппаратное, так и программное обеспечение. В 1980-х на первый план вышла Microsoft, доказавшая, что компания, специализирующаяся исключительно на программном обеспечении, может быть не менее успешной. При этом Intel, поставлявшая процессоры для компьютеров с ПО от Microsoft, также была одним из ключевых игроков рынка.

После краха доткомов в 2000 году акценты сместились в сторону интернет-сервисов «Web 2.0», предлагаемых такими компаниями, как Google и Facebook (ныне Meta). В этот период производство микросхем, хотя и оставалось важной частью индустрии, отошло на второй план. Как метко выразился в 2011 году венчурный капиталист Марк Андреессен, «программное обеспечение поглощает мир».

Искусственный интеллект меняет правила игры

Бум в области искусственного интеллекта, начавшийся в 2010-х годах, вновь изменил расстановку сил в технологическом секторе. Развитие ИИ, особенно в области глубокого обучения и больших языковых моделей, требует колоссальных вычислительных мощностей. Если до 2010 года объём вычислений, необходимых для обучения ведущих систем ИИ, удваивался примерно каждые 20 месяцев (в соответствии с законом Мура), то после 2010 года этот показатель сократился до 6 месяцев.

Такой стремительный рост потребности в вычислительных ресурсах привёл к взрывному спросу на специализированные микросхемы для задач ИИ. Компания NVIDIA, которая специализируется на производстве графических процессоров, оказавшихся идеально подходящими для параллельных вычислений, необходимых в машинном обучении, стала одним из лидеров рынка. На момент написания статьи NVIDIA является третьей по капитализации компанией в мире.

Технологические гиганты вступают в игру

Растущая важность специализированных микросхем для задач ИИ привела к тому, что крупнейшие технологические компании начали разрабатывать собственные чипы. Apple, Amazon, Microsoft и Meta инвестируют значительные средства в создание заказных процессоров, оптимизированных под конкретные задачи искусственного интеллекта. Google пошла ещё дальше: количество разработанных ею и используемых в собственных центрах обработки данных процессоров уступает только NVIDIA и Intel.

Эта тенденция отражает стремление компаний к вертикальной интеграции и контролю над ключевыми компонентами своих технологических стеков. Разработка собственных чипов позволяет оптимизировать производительность и энергоэффективность под конкретные задачи, что особенно важно в контексте растущих требований систем искусственного интеллекта.

Глобальные вызовы и геополитические аспекты

Пандемия COVID-19 обнажила уязвимость глобальных цепочек поставок в полупроводниковой отрасли. Нехватка чипов в 2021 году привела к серьёзным сбоям в производстве электроники и автомобилей. Это заставило правительства многих стран обратить пристальное внимание на вопросы национальной безопасности, связанные с производством микросхем.

В августе 2022 года правительство США анонсировало пакет субсидий и налоговых льгот на сумму 50 миллиардов долларов, направленный на возвращение производства микросхем в Америку. Другие регионы последовали этому примеру: Европейский Союз, Япония и Южная Корея в общей сложности пообещали почти 94 миллиарда долларов на поддержку национальных производителей чипов.

Ситуация осложняется геополитическим противостоянием между США и Китаем. Американское правительство ввело ряд ограничений на экспорт передовых микросхем и оборудования для их производства в Китай, стремясь замедлить технологическое развитие своего главного конкурента. В ответ Китай ограничил экспорт некоторых редкоземельных элементов, критически важных для производства полупроводников.

Технологические вызовы и будущее индустрии

Несмотря на внешние факторы, главные вызовы для производителей микросхем лежат в технологической плоскости. На протяжении пяти десятилетий уменьшение размеров транзисторов позволяло повышать производительность без увеличения энергопотребления. Однако сейчас, когда плотность размещения компонентов на кристалле достигла беспрецедентных значений, а требования моделей ИИ к вычислительным ресурсам продолжают расти, энергопотребление стало критической проблемой.

Чтобы поддерживать экспоненциальный рост производительности, производителям микросхем необходимы новые идеи и подходы. Некоторые из них носят эволюционный характер, например, более тесная интеграция аппаратного и программного обеспечения. Другие же являются радикальными: использование новых материалов вместо кремния или даже отказ от традиционных методов цифровой обработки информации в пользу принципиально иных технологий, таких как квантовые вычисления или нейроморфные системы.

Будущее компьютерных технологий, как и прежде, тесно связано с прогрессом в области производства микросхем. Искусственный интеллект не только вернул эту отрасль в центр внимания, но и задал новый вектор её развития. Преодоление текущих технологических барьеров откроет дорогу инновациям, которые определят облик цифрового мира в ближайшие десятилетия и, возможно, приведут к появлению вычислительных систем, превосходящих возможности человеческого мозга.