Wizja stanu techniki w roku 2020

Na podstawie rozmów przeprowadzonych z wiodącymi technologami w TI opracowałem wizję techniki w roku 2020. W moim odczuciu rynkiem będą kierowały cztery czynniki, które doprowadzą do powstania nowych i jeszcze bardziej interesujących produktów niż znane nam dzisiaj.

Mam na myśli „zieloną” elektronikę, robotykę, systemy „full immersion” i technikę medyczną. Postęp technologiczny w zakresie układów scalonych pozwoli nam sprostać wyzwaniom stawianym przez te rynki i umożliwi projektantom opracowanie nowych sposobów różnicowania produktów.

Czynniki rynkowe wpływające na rozwój branży:

Zielona elektronika

 skoncentruje się na dwóch aspektach: pobieraniu energii z otoczenia (tzw. energy harvesting) oraz oszczędności energii (ograniczaniu jej zużycia). Pobieranie energii z otoczenia będzie obejmowało alternatywne i odnawialne źródła energii (skala makro) oraz rozwiązania, dzięki którym urządzenia elektroniczne będą mogły wyszukiwać energię z otoczenia (skala mikro). W obszarze oszczędności energii będziemy dążyć do ograniczenia jej zużycia w życiu codziennym (skala makro). Jednocześnie urządzenia o ultraniskim poborze mocy przyczynią się do wzrostu sprawności energetycznej (skala mikro), przez co korzystanie z urządzeń przenośnych stanie się bardziej przyjazne dla środowiska.

Robotyka.

Roboty przejmą zadania, których nie chcemy lub nie możemy wykonywać sami oraz posłużą jako naturalny interfejs człowiek-maszyna. Wśród najważniejszych technologii niezbędnych do pełnego rozpowszechnienia robotyki należy wymienić rozwój naturalnych interfejsów opartych na głosie oraz wejściu/wyjściu wideo. Automat sprzedający z roku 2020 nie tylko zrozumie, co do niego powiemy, lecz także rozpozna wizualnie naszą tożsamość i zapamięta, co kupiliśmy.

System full immersion (pełne zanurzenie) sprawi, że bierna rozrywka zmieni się w prawdziwie interaktywne przeżycie. Należy się spodziewać dalszego wzrostu rozdzielczości i głębi kolorów, decydującymi czynnikami będą jednak przełomowe odkrycia angażujące wszystkie siedem zmysłów (pozostałych dwóch zmysłów jak dotąd nie odkryto, ale pojawiają się już kandydaci, jak np. zmysł magnetyczny). Dzięki tym przełomom doświadczanie wrażeń będzie miało bardzo rzeczywisty charakter.

Innowacje w dziedzinie techniki medycznej będą się raczej koncentrować na indywidualnej opiece nad pacjentem, niż na opracowywaniu nowych lekarstw. Urządzenia techniczne posłużą głównie do trzech celów: zarządzanie chorobami przewlekłymi, prognozowanie chorób zagrażających życiu oraz umożliwienie pacjentom spędzenia ostatnich chwil życia we własnym domu. Opieka medyczna nabierze bardziej indywidualnego charakteru, a wideokonferencje umożliwią nowe formy „wizyt domowych” lekarzy. Domowe systemy monitorujące będą nawet mogły śledzić nasze ciśnienie przez cały dzień, wykrywając trendy i planując za nas prewencyjne wizyty u lekarza.

Definiowanie najnowocześniejszej technologii układów scalonych

Cena

 Prawo Moore’a głosi, że liczba tranzystorów, które jesteśmy w stanie zintegrować na chipie, podwaja się co 2-3 lata. Jedynym celem jest obniżenie kosztów, wydajność i zużycie energii odgrywają natomiast podrzędną rolę. Mówi się nawet o spowolnieniu tempa integracji, ponieważ mamy problemy z wykorzystaniem parametrów, którymi już teraz dysponujemy. Do 2020 r. ceny tranzystorów będą się kształtować na poziomie ok. 1 $ za miliard sztuk. Przypuszczam, że nie bardzo będziemy wiedzieć, co zrobić z procesorem kosztującym 1 $, nie wspominając o urządzeniu za 100 $.

Wydajność

 Już od kilku dziesięcioleci trwają prace nad podniesieniem wydajności dzięki zastosowaniu przetwarzania wieloprocesorowego. W przyszłości, w urządzeniach typu SoC pojawią się zaawansowane architektury „heterogenicznych układów wieloprocesorowych”, będące połączeniem wielu różnych bloków przetwarzających, lecz także stosunkowo proste „jednorodne układy wielordzeniowe”, grupujące rdzenie o podobnych właściwościach. Procesory roku 2020 będą przypominały mikro-społeczności, w których każdy rdzeń będzie wykonywał przydzielone mu zadanie, być może nawet nie uświadamiając sobie funkcji całej aplikacji.

Moc

 Nadal będziemy podążać drogą ultraniskiego poboru mocy. Przejdziemy na tranzystory pracujące na niższych napięciach i częstotliwościach, które będą odłączane od zasilania w czasie spoczynku. Pojawią się też układy przewidywania, załączające obwody tylko w razie rzeczywistej potrzeby. Do 2020 r. wykonamy następny krok w kierunku oszczędności energii dzięki opracowaniu rozwiązań, które pozwolą na pobieranie energii z otoczenia. W miarę oswajania się z koncepcją urządzeń niezależnych energetycznie – czyli czerpiących energię z otoczenia, a nie z baterii lub zewnętrznego źródła zasilania – pojawi się wiele aplikacji wbudowanych. Wraz z rozwojem tych urządzeń należy się spodziewać opracowania urządzeń medycznych przeznaczonych do wszczepiania (implantów), dysponujących zapasem energii na całe życie, oraz czujników naprężeń wbudowanych w filarach mostów.

Integracja

 Przyszłość przyniesie nam uproszczenie integracji systemów w trzech aspektach. Pierwszym krokiem będzie stworzenie systemu z różnymi urządzeniami na płytce drukowanej PCB – czyli architektury typu „chip-on-board” (chip-na-płytce, COB) (patrz rys. 1). Drugim krokiem będzie umieszczenie całego systemu w jednej obudowie z wykorzystaniem technologii Stacked Die lub rozwiązań typu MPC (Multi-Chip Packaging) – czyli tzw. „system-in-package” (system-w-obudowie, SIP). Końcowym etapem integracji będzie przeniesienie systemu na jedno podłoże, dające rozwiązanie o nazwie „system-on-chip” (system-na-chipie, SOC). Układ SoC szybko przeobrazi się w „pod-system na chipie” i zostanie zintegrowany jako część większego systemu w obudowie (SIP). Przyszłość integracji należy więc nie do układów SoC, lecz raczej do układów typu SIP.

Środowiska deweloperskie

 Procesory z 2020 r. będą miały setki lub nawet tysiące rdzeni. Deweloperzy będą chcieli wykonywać projekty bez konieczności indywidualnego programowania każdego rdzenia z osobna. Ten sam poziom abstrakcji będzie konieczny także w przypadku oprogramowania. W przeciwnym razie złożoność przetwarzania wieloprocesorowego będzie nadal frustrować projektantów, przypominając wielowymiarową krzyżówkę.

Narzędzia deweloperskie muszą rozwiązać za projektantów kwestię najlepszego połączenia dostępnych komponentów sprzętowych i programowych, tak aby mogli się skoncentrować nad optymalnym zastosowaniem poszczególnych komponentów na poziomie systemu. Deweloperzy będą poza tym oczekiwać od swoich narzędzi samodzielnego zarządzania wszystkimi podrzędnymi zadaniami, jak np. konfiguracją, integracją, łączeniem i administracją komponentów. Oznacza to także, że narzędzia deweloperskie będą musiały zdecydować, jakie zadania warto wykonać równolegle i jak powinien wyglądać ich podział. Te oczekiwania opierają się na przekonaniu, że wartość oprogramowania leży nie w komponentach, lecz w wykonywanych przez nie zadaniach.

W ciągu ostatnich dziesięcioleci można było przewidzieć postęp branży elektronicznej, zastanawiając się nad sposobem zmieszczenia coraz większych systemów w kieszeni poprzez ich integrację. Patrząc wstecz na ewolucję elektroniki można stwierdzić, że miniaturyzacja komputerów nie jest skutkiem wzrostu ich wydajności, lecz zmniejszenia strat mocy. Redukcja zużycia energii o połowę pozwala także na zmniejszenie rozmiarów baterii w tym samym stosunku. Dokąd dojdziemy, gdy pobór energii spadnie o kilka rzędów wielkości? Miliard tranzystorów za 1 $ stwarza podstawy do opracowania urządzeń niezależnych energetycznie, które będzie można zainstalować na stałe we wszystkich wyobrażalnych zastosowaniach. Ta fascynująca innowacja jest więc kluczem do naszej przyszłości.