Najnovija računalna tehnologija u koju morate vjerovati

Mooreov zakon, truizam da se količina računske snage raspoložive za dolar teži otprilike udvostručuje svakih osamnaest mjeseci, dio je računalne znanosti od 1965. godine, kada je Gordon Moore prvi put promatrao trend i napisao članak o njemu. U to vrijeme “Zakon” malo je bila šala. 49 godina kasnije niko se ne smije.

Trenutačno se računalni čipovi izrađuju pomoću neizmjerno rafinirane, ali vrlo stare metode izrade. Listovi vrlo čistih kristalnih silicija presvučeni su raznim tvarima, urezani su pomoću visoko preciznih laserskih zraka, jetkanim kiselinom, bombardiranim visokoenergetskim nečistoćama i galvanizirani.

Više od dvadeset slojeva ovog procesa događa se, gradeći nanocjevne komponente s preciznošću koja je, iskreno, neumoljiva. Nažalost, ti se trendovi ne mogu zauvijek nastaviti.

Brzo se približavamo mjestu na kojem će tranzistori koje graviramo biti toliko mali da će egzotični kvantni efekti spriječiti osnovni rad stroja. Općenito se slaže da će najnoviji napredak računalne tehnologije naići na temeljne granice silicija oko 2020. godine, kada su računala oko šesnaest puta brža nego što su danas. Dakle, da bi se nastavio opći trend Mooreovog zakona, morat ćemo razdvojiti silicijum kao što smo učinili s vakuumskim cijevima i započeti graditi čipove koristeći nove tehnologije koje imaju više prostora za rast.

4. Neuromorfni čips

Kako se tržište elektronike kreće prema pametnijim tehnologijama koje se prilagođavaju korisnicima i automatiziraju intelektualniji rad, mnogi problemi koje računala trebaju riješiti usredotočeni su na strojno učenje i optimizaciju. Jedna snažna tehnologija koja se koristi za rješavanje takvih problema su "neuronske mreže".

Neuronske mreže odražavaju strukturu mozga: imaju čvorove koji predstavljaju neurone i vagane veze između onih čvorova koji predstavljaju sinapse. Informacija teče kroz mrežu, manipulirajući utezima, kako bi se riješili problemi. Jednostavna pravila diktiraju kako se mijenjaju težine između neurona, a te promjene mogu se iskoristiti za dobivanje učenja i inteligentnog ponašanja. Ova vrsta učenja je računski skupa kada ih simulira konvencionalno računalo.

Neuromorfni čipovi pokušavaju to riješiti pomoću namjenskog hardvera posebno dizajniranog za simulaciju ponašanja i treninga neurona. Na taj način može se postići ogromna brzina, koristeći pritom neurone koji se ponašaju poput pravih neurona u mozgu.

IBM i DARPA vode u istraživanju neuromorfnih čipova kroz projekt nazvan SyNAPSE, koji smo spomenuli prije nego što u to nećete vjerovati: DARPA budućnost istraživanja naprednim računalima u koje nećete vjerovati: DARPA istraživanje u napredna računala DARPA je jedan od najfascinantnijih i najtajnijih dijelova američke vlade. Slijede neki od najnaprednijih projekata tvrtke DARPA koji obećavaju transformirati svijet tehnologije. , Synapse ima krajnji cilj izgraditi sustav ekvivalentan kompletnom ljudskom mozgu, implementiran u hardveru koji nije veći od pravog ljudskog mozga. U bližem terminu, IBM planira u svoje Watson sustave uključiti neuromorfne čipove kako bi ubrzao rješavanje određenih pod-problema u algoritmu koji ovisi o neuronskim mrežama.

IBM-ov trenutačni sustav implementira programski jezik za neuromorfni hardver koji omogućava programerima da koriste unaprijed obučene fragmente neuronske mreže (zvane 'corelets') i povezu ih zajedno kako bi izgradili robusne strojeve za rješavanje problema. Vjerojatno dugo nećete imati neuromorfne čipove na računalu, ali gotovo sigurno ćete koristiti web usluge koje koriste poslužitelje s neuromorfnim čipovima za samo nekoliko godina.

3. Micron hibridna memorijska kocka

Jedno od glavnih uskih grla za trenutni dizajn računala je vrijeme potrebno za prikupljanje podataka iz memorije koja procesor treba raditi. Vrijeme potrebno za razgovor s ultrabrzim registrima unutar procesora znatno je kraće od vremena potrebnog za dohvaćanje podataka iz RAM-a, što je zauzvrat brže od dohvaćanja podataka s tvrdog, tvrdog diska.

Rezultat toga je da procesor često ostane jednostavno čekanje dugo vremena kako bi podaci stigli kako bi mogao obaviti sljedeći krug izračuna. Memorija procesorske memorije je oko deset puta brža od RAM-a, a RAM-a je stotinu tisuća puta brža od tvrdog diska. Drugim riječima, ako je razgovor s predmemorijom procesora poput hodanja do susjedove kuće kako biste dobili neke informacije, razgovor s RAM-om je poput hodanja nekoliko kilometara do trgovine zbog istih podataka - nabaviti ih s tvrdog diska je kao hodajući do Mjeseca.

Micron tehnologija može industriju izbiti iz redovitog napredovanja konvencionalne DDR memorijske tehnologije, zamijenivši je njihovom vlastitom tehnologijom, koja RAM module pohranjuje u kocke i koristi kabele veće propusnosti kako bi brže razgovarali s njima. Kocke su ugrađene izravno na matičnu ploču pored procesora (a ne umetnute u utore poput konvencionalnog ovna). Arhitektura hibridne kocke za memoriju nudi pet puta veću propusnost procesora od DDR4 RAM-a koji izlazi ove godine i koristi 70% manje energije. Očekuje se da će tehnologija stići na tržište superračunala početkom sljedeće godine, a na potrošačko tržište nekoliko godina kasnije.

2. Memorijsko skladištenje

Drugačiji pristup rješavanju memorijskog problema je dizajniranje računalne memorije koja ima prednost pred više vrsta memorije. Općenito, kompromisi s memorijom svode se na cijenu, brzinu pristupa i volatilnost (volatilnost je svojstvo potrebe stalnog opskrbe energijom kako bi se podaci pohranili). Tvrdi diskovi su vrlo spori, ali jeftini i nehlapljivi.

Ram je isparljiv, ali brz i jeftin. Predmemorija i registri su volatilni i vrlo skupi, ali i vrlo brzi. Najbolja tehnologija oba svijeta je ona koja je neisplativa, brza za pristup i jeftina za stvaranje. U teoriji, memristori nude način da se to postigne.

Memristori su slični otpornicima (uređaji koji smanjuju protok struje kroz krug), s hvatanjem koji imaju memoriju. Provucite struju kroz njih jedan način, a njihov otpor se povećava. Provedite struju na drugi način, a njihov otpor se smanjuje. Rezultat toga je da možete napraviti jeftine, brze memorijske ćelije u stilu RAM-a koje su neisplative i mogu se proizvoditi jeftino.

To povećava mogućnost blokova RAM-a velikih kao i tvrdi diskovi koji pohranjuju cijeli OS i datotečni sustav računala (poput ogromnog, nehlapljivog RAM diska Što je RAM disk i kako možete postaviti jedan što je RAM Disk i kako možete postaviti jedan čvrsti disk SSD nisu prva nemehanička pohrana koja se pojavljuje na potrošačkim računalima. RAM se koristi već desetljećima, ali prije svega kao rješenje za kratkoročno pohranjivanje. Brza vremena pristupa RAM čini ...), čemu se može pristupiti brzinom RAM-a. Nema više tvrdog diska. Nema više hodanja do Mjeseca.

HP je dizajnirao računalo pomoću memristor tehnologije i specijaliziranog jezgrskog dizajna, koji koristi fotoniku (komunikacija zasnovana na svjetlu) kako bi ubrzao umrežavanje između računalnih elemenata. Ovaj uređaj (nazvan “Stroj”) u stanju je izvesti složenu obradu na stotinama terabajta podataka u djeliću sekunde. Memorijska memorija je 64-128 puta gušća od klasične RAM memorije, što znači da je fizički otisak uređaja vrlo mali - i čitav shebang koristi daleko manje energije od serverskih soba koje bi zamijenio. HP se nada da će računala koja se temelje na The Machine-u iznijeti na tržište u naredne dvije do tri godine.

1. Grafenski procesori

Grafen je materijal izrađen od čvrsto vezanih rešetki ugljikovih atoma (slično ugljikovim nanocijevima). Ima niz izvanrednih svojstava, uključujući ogromnu fizičku snagu i gotovo supravodljivost. Postoje desetine potencijalnih aplikacija za grafen, od svemirskog dizala do oklopa karoserije do boljih baterija, ali ono što je bitno u ovom članku je njihova potencijalna uloga u računalnoj arhitekturi.

Drugi način da se računala postižu brže, umjesto da smanjuju veličinu tranzistora je da se ti tranzistori jednostavno pokrenu brže. Nažalost, jer silicij nije baš dobar provodnik, znatna količina energije koja se šalje kroz procesor navija se pretvara u toplinu. Ako pokušate usmjeriti silicijske procesore znatno iznad devet gigaherca, toplina ometa rad procesora. 9 gigaherca zahtijeva izvanredne napore hlađenja (u nekim slučajevima uključuje i tekući dušik). Većina potrošačkih čipova radi puno sporije. (Da biste saznali više o tome kako funkcioniraju konvencionalni računalni procesori, pročitajte naš članak Što je CPU i što radi? Što je CPU i što radi? Računarne kratice su zbunjujuće. Što je CPU ionako? A trebam li četverojezgreni ili dvojezgreni procesor? Šta kažete na AMD ili Intel? Tu smo da pomognemo objasniti razliku!.

Graphene je, nasuprot tome, izvrstan dirigent. Grafenski tranzistor može, u teoriji, raditi do 500 GHz bez ikakvih problema s toplinom i - i možete jetkati na isti način na koji ste utiskivali silicij. IBM je već ugravirao jednostavne analogne grafenske čipove koristeći tradicionalne tehnike litografije čipova. Donedavno je pitanje dvostruko: prvo, da je vrlo teško proizvesti grafen u velikim količinama, i, drugo, da nemamo dobar način za stvaranje grafenskih tranzistora koji u potpunosti blokiraju protok struje ' država.

Prvi je problem riješen kada je elektronički div Samsung objavio da je njegova istraživačka ruka otkrila način za masovnu proizvodnju čitavih kristala grafena visoke čistoće. Drugi je problem složeniji. Problem je u tome što, iako ekstremna vodljivost grafena čini ga privlačnim iz toplinske perspektive, neugodno je i kada želite napraviti tranzistore - uređaje koji su predviđeni da prestanu provoditi milijarde puta u sekundi. Grafenu, za razliku od silicijuma, nedostaje "jaz između pojasa" - brzina protoka struje koja je toliko mala da uzrokuje pad materijala na nultu vodljivost. Srećom, izgleda da na toj prednjoj strani postoji nekoliko opcija.

Samsung je razvio tranzistor koji koristi svojstva sučelja silikon-grafen kako bi proizveo željena svojstva i s njim je izgradio niz osnovnih logičkih krugova. Iako nije čisto grafensko računalo, ova bi shema sačuvala mnoge korisne učinke grafena. Druga opcija može biti upotreba 'negativnog otpora' za izgradnju druge vrste tranzistora koji bi se mogao koristiti za izgradnju logičkih vrata koja djeluju na većoj snazi, ali s manje elemenata.

Od tehnologija o kojima je riječ u ovom članku, grafen je najdalje od komercijalne stvarnosti. Bilo bi potrebno do jednog desetljeća da tehnologija bude dovoljno zrela da u potpunosti ne zamijeni silicij. Međutim, dugoročno je vjerovatno da će grafen (ili inačica materijala) biti okosnica računalne platforme budućnosti.

Sljedećih deset godina

Naša civilizacija i velik dio naše ekonomije duboko su ovisili o Mooreovom zakonu, a ogromne institucije ulažu ogromne količine novca pokušavajući spriječiti njegov kraj. Mnogo manjih usavršavanja (poput 3D arhitekture čipova i računanja tolerantnih na pogreške) pomoći će održavanju Mooreovog zakona kroz njegov teorijski šestogodišnji horizont, ali takve stvari ne mogu trajati zauvijek.

U nekom trenutku narednog desetljeća trebat ćemo skočiti na novu tehnologiju, a pametni novac će biti grafen. Ta će promjena ozbiljno poljuljati status quo računalne industrije, a time i izgubiti puno bogatstva. Čak ni grafen nije, naravno, trajno rješenje. Vrlo je vjerojatno da ćemo se za nekoliko desetljeća opet naći ovdje, raspravljajući o tome koja će nova tehnologija preuzeti, sada kada smo dosegli granice grafena.

Što mislite, koji će smjer ići najnovija računalna tehnologija? Što mislite koja od ovih tehnologija ima najbolje šanse za podizanje elektronike i računala na višu razinu?

Slikovni krediti: Ženska ruka u ESD rukavicama Via Shutterstock