Компьютеры, процессоры... Прогнозы на будущее

Для начала новость, которая здесь уже обсуждалась - Задержка с 10-нм техпроцессом подорвала уверенность Apple в Intel

Ещё один крупный медийный источник выражает уверенность в намерениях Apple объявить в грядущий понедельник о переводе части персональных компьютеров семейства Mac на использование процессоров собственной разработки. Утверждается, что имидж Intel был подпорчен не только дефицитом процессоров, но и задержкой с переходом на 10 нм.

Соответствующую информацию вслед за Bloomberg опубликовало и издание The New York Times, ссылаясь сразу на пятерых людей, посвящённых в планы Apple. Компания, по их сведениям, несколько лет вела разработку собственных процессоров для применения в персональных компьютерах, и грядущую конференцию WWDC использует для соответствующего заявления.

Американское издание также сообщает со ссылкой на троих собеседников, что задержка Intel с переходом на 10-нм технологию производства процессоров послужила одним из толчков, усиливших уверенность Apple в необходимости отказаться от использования процессоров Intel в ряде изделий. Разразившийся позже дефицит процессоров Intel только укрепил это убеждение. Apple перестала рассматривать Intel в качестве надёжного партнёра.

Эпопея с задержками Intel по переходу на 10 нм технологию начинает напоминать сериал типа Престолов. Сам не смотрел, но народ фанатеет. Все ждут свержения Короля в лице Intel. Вот уже и яблочники грозятся свои ноутбуки перевести на процессоры собственной разработки. Еще раньше о разработке собственных процессоров говорили представители MicroSoft.

Во время карантина у друзей и родственников резко вырос спрос на апгрейд своей компьютерной техники. Пришлось вспомнить молодость и самому заняться этим делом. Тем более свободного времени стало больше. Заодно подросшее поколение надо поднатаскать. Возможностей конечно сейчас стало неизмеримо больше, чем во времена моей молодости. Сейчас есть Avito, AliEspress и прочие площадки, где можно найти и заказать что угодно, вплоть до давно вышедшей из серии экзотики.

Лишний раз на своем опыте убедился, насколько же притормозился рост производительности в компьютерной технике. Сейчас ноутбук 2011 года выпуска после небольшого апгрейда выполняет процентов 90 современных задач. Игрушки и прочее баловство в расчет не берем. Попробовал сравнить с тем что было на 20 лет раньше, компьютеры 1991 и 2000 года. В 1991-м типичной будет система на процессоре 486DX с частотой 25 МГц и до 1 Мб оперативки, в 2000-м компьютер на Pentium2 с частотой 400 МГц и 64 Мб опративки. Земля и небо, разные эпохи.

Причины такого замедления понятны, в прошлом году еще писал статью на эту тему - Технологии микроэлектроники на пальцах. «Закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те нанометры. Если вкратце, то кремниевые технологии достигли физических пределов. Раньше, когда в 2 раза уменьшалась технорма, то в 2 раза уменьшались все размеры транзисторов. Соответственно площадь каждого транзистора уменьшалась в 4 раза, примерно настолько же падало его энергопотребление. Можно было наращивать производительность без увеличения тепловыделения. Сейчас некоторые размеры транзисторов определяются не технормой, а физикой. Прежде всего длина канала МОП-транзисторов. Кроме того, по мере миниатюризации начало расти паразитное энергопотребление из-за токов утечки.  Поэтому при уменьшении технормы с 14 нм до 7 нм линейные размеры транзисторов уменьшаются не в 2, а примерно в 1,2 раза. Соответственно площадь транзистора уменьшается не в 4 раза, а в 1,44 (условно). При этом из-за роста токов утечки энергопотребление каждого транзистора может вообще остаться тем же. Снижение паразитного энергопотребления это вообще отдельная тема, не связанная напрямую с нанометрами.

Картинка в подтверждение - характеристики технорм разных производителей

Смотрим на последнюю строку, это размер шеститранзисторной ячейки памяти. У Intel c технологией 10 нм он 0,0312 квадратных микрона, у Samsung'а с 7 нм технологией 0,0262 кв.микрона. Разница всего в 1,2 раза. При пропорциональном снижении размеров, как раньше, переход с 10 нм до 7 нм должен был дать уменьшение площади в 2 раза. 

Если нет сокращения размеров транзисторов и снижения токов утечек, то невозможно увеличить производительность без увеличения тепловыделения. Сейчас часто приходится слышать о застое в производстве процессоров. На самом деле застоя нет, идет процесс оптимизации архитектуры, размеры транзисторов все-таки уменьшаются, сокращаются токи утечки, уменьшается время отклика. Просто скорость процесса не та, к которой пользователи привыкли за предыдущие десятилетия. Ничего, привыкнут.

Попробовал сделать свой прогноз на развитие отрасли с учетом кризиса. В смысле не экономического кризиса, а технологического.  

Центральный процессор (CPU)

В производстве CPU долгое время доминировала фирма Intel. В 2011-м они выпустили прорывную на тот момент архитектуру Sandy Bridge. Новые процессоры не только на голову превосходили конкурентов, но и оказались дешевле. А единственным конкурентом Intel тогда была оставалась AMD. После этого AMD фактически была вынуждена покинуть рынок CPU. За прошедшее десятилетие монополии разработчики Intel неторопливо приглаживали свои процессоры, практически ежегодно выдавая на гора новую архитектуру, чуть улучшающую предыдущую. При этом то уменьшая на единицу количество ножек процессора, то увеличивая на 5. В названиях этих архитектур не запутались разве что фанаты. В 2017 раздавленный казалось бы AMD ворвался на рынок CPU с новой удачной архитектурой Ryzen. И с тех пор вернул себе значительную долю на рынке десктопов и ноутбуков. Монополия Intel пока остается только в нише серверных процессоров. Возвращение AMD внесло динамику в околокомпьютерное инфополе. Вновь вылезли фанаты красных (AMD), которые мочат фанатов синих (Intel) в бесконечных срачах на форумах. Как в старые добрые времена начала 2000-х.

Т.к. интенсивный рост производительности CPU затормозился, обе компании вынуждены идти по экстенсивному пути, наращивая энергопотребление процессоров. Первым следствием стало появление металлической крышки, которая припаивается к корпусу микросхем. Это улучшает отвод тепла от кристалла, из за чего температура ядра остается в пределах нормы, несмотря на увеличение тепловой мощности. Другим следствием стало увеличение допустимой рабочей температуры. Если раньше максимальная рабочая температура составляла 85˚С, то сейчас у многих в спецификации стоит 95˚С, а то и 100-105 градусов. Объясняют это тем, что старые процессоры не могли выдерживать такую температуру, а новые они же совершеннее, эти могут. В моду входят башни-кулеры для десктопов. Типа этого

Были попытки использовать и другие методы повышения производительности. Например на одной подложке с процессором встраивали кристалл динамической памяти в качестве кэша 4 уровня. Позднее от этой идеи отказались, но это решение может стать рабочим в скором времени.

Intel остается единственной компанией с собственным производством. Остальные переключились на контрактных производителей. Долгое время в производстве микроэлектроники под нормой техпроцесса понимали разрешение литографии. Когда начали сталкиваться с физическими ограничениями, в Intel пересмотрели методику вычисления технормы. Ее стали высчитывать исходя и площади транзисторов. Остальные производители идею не поддержали, продолжая указывать максимальное разрешение литографии в качестве нормы техпроцесса. Проблемы у Intel начались с переходом от 14 нм к 10 нм. Они хотели удивить мир и выдать честные 10 нм, чтобы плотность транзисторов была с 2 раза больше, чем в 14 нм. Кроме того, пользуясь тем, что никто в затылок не дышит, сконцентрировались на оптимизации технологии в плане снижения энергопотребления. В результате всего этого переход на 10 нм затянулся на 5 лет и обернулся маркетинговым проигрышем в гонке нанометров.

В самом Intel говорят о "проклятии 10 нм", обещают исправиться и уже в следующем году выйти на 7 нм. После этого ликвидируют отставание и вернут себе лидерство. Это можно расценивать как отказ от слюнтяйства и включение в общую гонку нанометров по формальному разрешению литографии.

Поэкспериментировав с различными конфигурациями, в Intel казалось бы пришли к единой идеологии - один кристалл на подложке, два потока на каждое ядро (гипертрейдинг) и выделение чипсета в отдельную микросхему. Однако в 2020-м Intel наконец выпустили давно анонсируемую серию процессоров для ноутбуков по технологии 10 нм. Новый процессор заставил напрячься, поскольку явно противоречит всей предыдущей идеологии. Процессор сделан слоями из нескольких разнородных чипов, еще и произведенных по разным технормам. Сам процессор реализован по схеме "все о одном", характерном для ARM-архитектуры. Содержит 5 однопоточных ядер - 4 малопотребляющих и 1 высокопроизводительное, - встроенную графику, все элементы чипсета и 8 Гб динамической памяти. И все это в одном корпусе. Пока не понятно что это - эксперимент или смена идеологии.

AMD в 2009 году выделил свое полупроводниковое производство в отдельную компанию GlobalFoundries.Таким образом, ADM оставили себе лишь разработку топологии процессора, все производство уходило в GlobalFoundries. Зажив своей жизнью, GlobalFoundries стал крупным контрактным производителем, купил несколько дочек за пределами США, в самих США выкупил часть заводов IBM, а в 2012-м продались инвестфонду из ОАЭ. В середине 2015-х ведущие производители микропроцессоров начали переход на объемные структуры FinFET, которые обеспечивали заметное улучшение энергетических характеристик. GlobalFoundries не смогли осилить переход на FinFET, а в 2018 отказались от борьбы за 7 нм. Компания некоторое время была в предбанкротном состоянии. Однако в конце 2019 продемонстрировали тестовую партию чипов по 12-нм FinFED, а в 2020 объявляют о готовности в следующем году вернуться в группу лидеров. 

Тем не менее, с 2018 года производство процессоров AMD ушло на Тайвань. Сейчас они производятся на заводах TSMC по 7 нм техпроцессу. Кроме TSMC ведутся переговоры с корейским Samsung о переводе к ним части производства. Перевод производства в Восточную Азию положительно сказался на цене и технических характеристиках процессоров AMD. Появились даже оценки, что Intel стал катастрофически отставать от AMD. Они же в 10 нм никак не могут, а AMD в 7 нм смогло. В реале, как уже показывал, 10 нм от Intel имеют примерно те же характеристики, что и 7 нм от TSMC. А по энергоэффективности Intel даже опережает конкурентов.

Главной фишкой новых процессоров AMD стала быстрая универсальная шина Infinity Fabric, которая связывает ядра как внутри одного кристалла, так и на разных кристаллах. Сами ядра стали меньше и проще. По производительности они сильно уступают ядрам Intel, зато из-за дешевизны из можно пихать в процессор больше. В самых дорогих версиях до 64 ядер. AMD отошла от идеи единого кристалла и перешла к идеологии чиплетов, т.е. небольших модульных кристаллов. Вот так например

2 одинаковых модуля сверху содержат по 8 ядер и по 8 МБ кэша L3.  На нижнем кристалле располагается встроенное видео, еще кэш L3 и контроллеры (памяти, шины PCI-e, USB и пр). Оперируя числом модулей, можно на одних и тех же чиплетах собрать линейку процессоров от самых дешевых до серверных монстров. Небольшой размер чиплета упрощает отвод тепла из кристалла и нивелирует меньшую энергоэффективность транзисторов. Также из-за меньших размеров чиплета обычно выше процент выхода годных кристаллов. Больше того, если например в 8-ядерном чиплете оказывается нерабочим одно или несколько ядер, они блокируются, а сам чиплет уходит на упаковку как 6-ти или 4-х ядерный. Это все сильно удешевляет себестоимость конечной сборки.

ARM процессоры. В 2017 году вышли первые ноутбуки с процессорами Qualcomm по архитектуре ARM. Инициатором этого выступила как ни странно компания Microsoft. Мелкомягкие в свое время полностью слили рынок мобильных устройств и на этот раз похоже решили действовать на опережение. Застолбить рынок компактных ноутбуков со встроенным LTE-модулем (4G). За 2,5 года Qualcomm и Microsoft успели уже выпустить второе и анонсировать третье поколение ARM процессоров для ультрабуков под операционной системой Windows 10 ARM. Были даже статьи, что новые ноутбуки обходят по производительности младшие версии x86 при вдвое меньшей тепловой мощности. Правда стандартные компьютерные тесты показали что это совсем не так. В чем новые ARM-ноутбуки выигрывают, так это в длительности автономной работы и в некоторых тестах с ПО от MicroSoft. В последнем случае, как полагают, причиной является более эффективное использование многоядерности и многопоточности процессоров. Т.е. речь идет о более оптимальном коде от мелкомягких, а не о производительности процессоров.

Не секрет, что операционки и программы тащат на себе груз совместимости со старым софтом и старыми средствами разработки. Поэтому код не оптимизирован под современные процессоры и не использует в полной мере их возможности. Это справедливо и для самой архитектуры x86, где остается много рудиментов. Поэтому новая ОС, написанная под конкретную архитектуру, не отягощенная совместимостью со старым софтом, сразу получает преимущество. Правда обратной стороной является ограниченный набор этого самого оптимизированного софта. С остальным необходимо работать через эмулятор со всеми вытекающими тормозами. 

И вот наконец к дуэту Qualcomm  и Microsoft присоединилась Apple. Пишут даже что яблочники уже заключили договор с TSMC  и планируют во второй половине 2021 года заказать выпуск процессоров ARM собственной разработки. Ясно, что такое решение приняли не спонтанно, и задержки Intel в переходе на 10 нм это только повод. 

Чипсет.

На рынке чипсетов для материнских плат те же основные участники - Intel и AMD. Каждый производит чипсеты с поддержкой своих процессоров. ARM-процессоры выполнены по принципу "Система-на-кристалле" (SoC), там все функции чипсета встроены в процессор. Кстати новые ноутбучные процессоры Intel сделаны по ой же идеологии. Intel и раньше выпускал SoC процессоры с низким энергопотреблением для ультрабуков (обычно маркировались буквой U). Т.е. технических проблем реализовать их на всех процессорных линейках нет. Вопрос тут идеологический. Чипсет как отдельная микросхема интересен прежде всего производителям материнских плат. Микросхема чипсета является ядром, вокруг которого собирается плата. Каждый чипсет поддерживает несколько серий процессоров, а под каждый процессор можно подобрать несколько чипсетов с разным набором поддерживаемой периферии. Это дает одновременно большую универсальность и широкий спектр конфигураций материнских плат.

Процесс миграции элементов чипсета под крышку CPU начался с первых модификаций микропроцессоров. За последнее время в процессор переместились, например, контроллер памяти, часть функций контроллера PCIe и USB. При сохранении тенденций чипсет как отдельное устройство может совсем исчезнуть, полностью интегрировавшись с CPU.

Видеопроцессоры (GPU)

Практически во всех современных процессорах есть встроенный GPU. Исключение составляют серверные процессоры. Тем не менее, дискретные видеопроцессоры по-прежнему востребованы, т.к. имеют кратно более высокую производительность. По сложности и числу транзисторов современные GPU не уступают CPU. Здесь также осталось всего 2 крупных производителя - nVidia и AMD. Как и на рынке центральных процессоров, AMD представляет более бюджетные версии по сравнению с лидером в лице nVidia. Оба производителя делят заказы своих микросхем примерно поровну между заводами TSMC и Samsung.

В эволюции видеопроцессоров видны те же тенденции, что и для центральных процессоров. Здесь они даже более выражены. Из-за того, что интенсивный рост производительности затормозился, производителям GPU приходится идти по экстенсивному пути. Поскольку разработчики компьютерных игр продолжают прежними темпами выдавать все больше требований к видеосистеме. Современная топовая видеокарта выглядит примерно так

Если серверный процессор с потреблением в 200-300 Ватт является предметом зубоскальства и сравнения с паяльником, то видеокарта мощностью в 300 Ватт давно считается нормой, как и предельная рабочая температура в 105˚С. На видеокарту приходится львиная доля энергопотребления в современных игровых системах. В отличии от CPU, для видеопроцессоров нет даже серьезного резерва в виде оптимизации архитектуры. 

На видеокартах раньше, чем на материнских платах, отрабатываются более производительные архитектуры и механизмы работы с памятью. Графическая память обычно работает на более широкой шине данных, использует передачу 2 бит данных за такт, раздельное тактирование адресов и данных, удвоенную частоту шины передачи данных. В итоге эффективная тактовая частота для видеопамяти в 4 раза выше реальной. Например для GDDR5 c частотой 1500МГц эффективная частота составляет 6000МГц. В новых моделях видеокарт используется уже тип видеопамяти GDDR6, где пропускная способность выросла еще в 2 раза.

Оперативная память

Рост миниатюризации в микросхемах оперативной памяти затормозился  еще раньше, чем в процессорах. Причина опять в физике. Современная оперативная память построена на микросхемах динамической памяти DRAM, где каждый транзистор является еще и микроконденсатором. А чем меньше площадь конденсатора, тем быстрее он теряет заряд и чаще требует перезарядки. Кроме того, при снижении технормы растут токи утечки, что еще больше сокращает время хранения.

В последнее десятилетие рост производительность оперативной памяти растет, в-основном,  за счет увеличения разрядности шины, роста тактовых частот и плотности передаваемой за такт информации. А не за счет роста плотности упаковки транзисторных ячеек, как раньше.

Типовой сейчас является память стандарта DDR4 с эффективной частотой 3200 МГц. Это соответствует максимальной скорости чтения 25,6 ГБ/с на канал. Если у вас в процессоре 2-канальный контроллер памяти и 2 модуля памяти на материнке, то это уже 51,2 ГБ/с. Ну а если топовый или серверный 4-канальный процессор и 4 планки памяти, то до 102,4 ГБ/с. Давно анонсируется, но пока откладывается переход на DDR5, который ужа на первых сериях должен выдать пропускную способность в 32 ГБ/с.

Более 95% микросхем DRAM в мире выпускают 3 фирмы - Samsung (Ю.Корея), SK Hynix (Ю.Корея) и Micron Technology (США). Основной завод Micron по выпуску микросхем DRAM расположен в Японии, это бывший завод NEC. Почти 3/4 объема рынка приходит на 2 корейские фирмы. В 2020 году китайцы выпустили первые полностью суверенные модули памяти DDR4. Характеристики пока посредственные, но это первые модули на полностью китайских микросхемах DRAM.

Системы хранения данных

Системы хранения данных, их по привычке продолжают называть жесткими дисками, - эта область, где в последние годы достигнут самый явный прогресс. Связан с постепенной заменой магнитных дисков с механическим приводом (HDD) на твердотельные накопители на микросхемах РПЗУ (SSD).

В старые времена приходилось иногда проводить бессонные ночи за установкой или переустановкой какой-нибудь системы. Активный процесс занимал хорошо если 5% от всего времени. Остальное время приходилось медитировать под потрескивание жестких дисков. Как же я ненавидел этот звук под утро, когда пора было уже запускать отлаженную рабочую систему, а эта тмбня все никак не протарахтится. Когда первый раз воткнул в свой ноут SSD накопитель, понял, что возврата к механике уже не будет. Это настолько ускоряет процесс загрузки, открытия окон и приложений, что эффект пересиливает даже апгрейд памяти и процессора.

Массовый сегмент SSD накопителей сейчас переходит с объемов 120 ГБ к 240 ГБ. По цене за гигабайт они пока в 2-3 раза дороже HDD, но быстро дешевеют. По скоростям доступа небольшая картинка с тестом из моего ноутбука.

Смысл картинки. Слева скорости чтения и записи SSD накопителя Kinston SA400 емкостью 240 ГБ, справа HDD Toshiba емкостью 500 ГБ и скоростью вращения 5400 об/мин.
Первая строка  - последовательное чтение большого нефрагментированного файла
Вторая строка - чтение крупных сегментов по 512 КБ
Третья строка - поштучное чтение случайно расположенных файлов размером 4 КБ, самый тяжелый тест
Четвертая строка - параллельное чтение случайных файлов размером 4 КБ с глубиной очереди 32. Наиболее близкий к работе операционной системы. Здесь считываются маленькие файлы, но контроллер знает список из 32 файлов. В случае HDD это мало чем может помочь, т.к. считывающая головка одна, максимум может оптимизировать маршрут перемещения. В случае SSD это позволяет распараллелить операции чтения/записи. В этом случае преимущества SSD раскрываются в полной мере, разница в скоростях более чем 100 раз.

Сейчас на рынке 2 основных типа накопителей - стандарта SATA-III и NVM-express. Первый работает через контроллер жестких дисков (SATA), второй через контроллер PCI-express, занимая 4 полосы PCIe. Скорость линейного чтения у SSD SATA-III, обычно около 500 МБ/с, у NVMe накопителей она достигает 2-3 ГБ/с, у самых быстрых HDD линейная скорость 120-150 МБ/с. Для сравнения оперативная память формата DDR3 c частотой 1333 МГц, все еще часто встречающаяся, выдает максимальную скорость чтения 10,6 ГБ/с. Т.е. разница с накопителями NVMe уже меньше чем на порядок.

SSD накопитель состоит из контроллера и микросхем NAND на МОП транзисторах с плавающим затвором или ловушкой заряда. Главный недостаток NAND технологии - деградация ячеек по мере работы. Чтобы компенсировать это, контроллер SSD резервирует четверть ячеек на замену выбывшим и организует специальный механизм записи, чтобы данные максимально распределялись по рабочим ячейкам. Т.е. SSD накопитель на 120 ГБ имеет реальный объем 160 ГБ, просто 40 ГБ зарезервированы контроллером и выделяются только по мере выработки ресурса рабочими.

Альтернативой является технология 3D XPoint от Intel и Micron. Детально информацию они не раскрывают, но известно что используются фазовые переходы в некоторых соединениях серы, селена и теллура. Упрощенно, если нагреть ячейку до 600 градусов и быстро охладить, то она переходит в аморфное состояние с высоким электрическим сопротивлением. А если еще раз нагреть до 700 градусов и охладить, то ячейка становится кристаллической с низким электрическим сопротивлением. Эти состояния определяются как логический 0 или логический 1. В Intel заявляют, что смогли сделать еще два промежуточных состояния, поэтому имеют возможность в одной ячейке хранить 2 бита информации. Главным достоинством технологии является слабая деградация по мере использования, на несколько порядков медленнее, чем у NAND. Можно сказать что ее нет совсем. А также более высокая скорость записи, т.к. в 3D XPoint ячейка сразу записывается в нужное состояние. В технологии NAND перед записью нужно обнулить текущее состояние ячейки. Недостаток - меньшая плотность ячеек и соответственно более высокая цена за гигабайт. Т.к. приходится размещать больше микросхем для получения тех же объемов.

На основе 3D XPoint Intel выпускает накопители Optane. Стоимость 120 ГБ Optane сейчас 17000 руб, в 10 раз больше чем у бюджетных SSD на 120 ГБ. Поэтому их обычно ставят в серверные системы, где цена не принципиальна. Чтобы выйти в бюджетный сегмент, в Intel придумали "гениальную" идею, начали выпускать дешевые Optane на 16 ГБ. Но т.к. для полноценной системы это сейчас мало, решили использовать его для кэширования HDD. Т.е. 16 ГБ Optane работает в связке с жестким диском, на нее записываются наиболее употребляемые файлы, и при работе с ними система обращается к Optane. А Optane уже в фоновом режиме обеспечивает запись на HDD. Лет 10 назад идея могла взлететь. Но сейчас, когда массово появились дешевые SSD накопители большой емкости ... 

Еще более перспективной технологией представляется магниторезистивная память (MRAM). Пока у нее плотность упаковки даже ниже чем у 3D XPoint, но в последние годы появилось несколько перспективных разработок в области памяти MRAM. В случае с магниторезистивной памятью скорость записи и чтения на накопитель практически равна скорости оперативной памяти. 

Рынок SSD пока не устаканился и на нем довольно много участников - десятки производителей конечных  устройств, 8 крупных производителей контроллеров и 6 крупных производителей микросхем NAND-памяти. Более 99% рынка микросхем NAND-памяти занимают, в порядке сокращения доли рынка, - Samsung (Ю.Корея), Kioxia (дочка Toshiba, Япония), Western Digital (США), Micron Technology (США), Intel (США), SK Hynix (Ю.Корея). Основное производство NAND-микросхем Western Digital  расположено в Японии.

Прогнозы.

Ну а теперь сами прогнозы. Самые большие изменения вызовет прогресс в системе хранения данных. В ближайшие 2-3 года цена за гигабайт в SSD накопителях сравняется с HDD, и последние начнут уходить в небытие. Какое-то время могут задержаться как хранилища архивов, а затем уйдут в музей в отдел со стриммерами на магнитной ленте, дискетами и зарезервированным местом для CD-приводов. Сама скорость SSD будет расти. На экспериментальных накопителях она уже превосходит 9 ГБ/с. Правда стандартная шина такую скорость не пропустит, их подключают через 16-канальный PCIe. Через который обычно подключается видеоадаптер. С увеличением скоростей разработчикам процессоров и чипсетов придется выделить отдельный контроллер для SSD. 

Переход от HDD к SSD  обнажит другую проблему. Современные ОС и ПО разрабатывались во времена механических жестких дисков. Тогда скорость обращения к файловой системе была в сотни и тысячи раз медленнее, чем к оперативной памяти. Отсюда и попытка максимум информации держать в оперативной памяти, это сильно ускоряет работу. В приходом быстрых SSD разница в скорости доступа между оперативкой и файловой системой нивелируется. Если даже скорости не сравняются, но будут одного порядка, то теряется смысл сегодняшней парадигмы - держать максимум данных в оперативной памяти. Выгоднее будет большую часть оперативных данных перенести во временные файлы на SSD. Сразу же падают требования к объему оперативной памяти.

Думаю оперативная память в современном виде совсем исчезнет и трансформируется в кэш 4-го (а может уже и 5-го) уровня и возможно уйдет под крышку процессора. В этом плане надо внимательнее приглядеться к последнему процессору Intel Lakefield. Состоит из 4 слоев.

Нижняя часть - кристалл с контроллерами. Выполнена по 22 нм технорме. Эта технорма сейчас позволяет делать наиболее энергоэффективные микросхемы.
Второй снизу - кристалл с 5 ядрами, видеоядром и кэшем. Выполнена по 10 нм технорме, даем максимальную плотность упаковки и быстродействие.
2 верхних слоя динамической памяти LPDDR4X, типичной для смартфонов, по 4 Гб в каждом слое.

Ядра делятся на 1 высокопроизводительное и 4 малопотребляющих. Связано с тем, что многие современные приложения умеют нагружать только 1 ядро. Поэтому его сделали максимально производительным, а остальные упрощенными для уменьшения энергопотребления. Принцип разделения ядер похоже останется и в будущем, Intel анонсировал новые десктопные процессоры с 8 ядрами и 12 потоками. Явно речь о 4 однопоточных и 4 двухпоточных. Так что архитектура Lakefield это скорее был пробный шар в будущее.

Полагаю что такие разнородные структуры со временем станут нормой. Т.к. разные элементы CPU имеют разные требования к скорости и энергоэффективности. Возможно Intel вслед за AMD перейдет к чиплетам. Чипсет скорее всего исчезнет как класс, вместо этого придут к какой-то универсализации выводов CPU.

Каких-то прорывов в области производительности CPU и GPU не ожидается. Будет соревнование архитектур и постепенная оптимизация и архитектуры, и технологии производства. Со временем пользователи привыкнут к "застою" и тема роста производительности во что бы то ни стало постепенно уляжется. Тем более что все больше вычислительных мощностей будет переноситься "в облака" и требования к производительности клиентских систем будут снижаться.

Ну и про квантовые компьютеры. Надо понимать, что квантовый процессор может работать только при температурах в районе абсолютного нуля, т.е. -273˚С. поэтому требует наличия мощной криогенной установки. Если даже они войдут в серию, то придут на смену современным суперкомпьютерам. В ноутбуках, десктопах и небольших серверных останутся прежние кремниевые процессоры.