Najnowsza technologia komputerowa, którą musisz wierzyć

Prawo Moore'a, truizm, że ilość surowej mocy obliczeniowej dostępnej za dolara zwykle podwaja się mniej więcej co osiemnaście miesięcy, jest częścią wiedzy informatycznej od 1965 roku, kiedy Gordon Moore po raz pierwszy zaobserwował ten trend i napisał o nim artykuł. W tym czasie “Prawo” kawałek był żartem. 49 lat później nikt się nie śmieje.

Obecnie chipy komputerowe są wytwarzane przy użyciu niezwykle wyrafinowanej, ale bardzo starej metody wytwarzania. Arkusze bardzo czystych kryształów krzemu są powlekane różnymi substancjami, grawerowane za pomocą precyzyjnych wiązek laserowych, trawione kwasem, bombardowane wysokoenergetycznymi zanieczyszczeniami i galwanizowane.

Występuje ponad dwadzieścia warstw tego procesu, budując nanoskalowe elementy z precyzją, która, szczerze mówiąc, jest zadziwiająca. Niestety te trendy nie mogą trwać wiecznie.

Szybko zbliżamy się do punktu, w którym grawerowane tranzystory będą tak małe, że egzotyczne efekty kwantowe uniemożliwiają podstawowe działanie maszyny. Panuje powszechna zgoda, że ​​najnowsze osiągnięcia technologii komputerowej napotkają podstawowe granice krzemu około 2020 r., Kiedy komputery będą około szesnaście razy szybsze niż obecnie. Tak więc, aby ogólny trend prawa Moore'a był kontynuowany, musimy rozstać się z krzemem, tak jak to zrobiliśmy z lampami próżniowymi, i zacząć budować układy scalone przy użyciu nowych technologii, które mają więcej miejsca na rozwój.

4. Wióry neuromorficzne

Ponieważ rynek elektroniki zmierza w kierunku inteligentniejszych technologii, które dostosowują się do użytkowników i automatyzują bardziej intelektualną pracę, wiele problemów, które komputery muszą rozwiązać, koncentruje się wokół uczenia maszynowego i optymalizacji. Jedną z potężnych technologii stosowanych do rozwiązywania takich problemów są „sieci neuronowe”.

Sieci neuronowe odzwierciedlają strukturę mózgu: mają węzły reprezentujące neurony i ważone połączenia między tymi węzłami, które reprezentują synapsy. Informacje przepływają przez sieć, manipulowane przez wagi, w celu rozwiązania problemów. Proste zasady określają, jak zmieniają się masy między neuronami, a zmiany te można wykorzystać do uzyskania uczenia się i inteligentnego zachowania. Tego rodzaju uczenie się jest kosztowne obliczeniowo, gdy jest symulowane przez konwencjonalny komputer.

Chipy neuromorficzne próbują rozwiązać ten problem, wykorzystując dedykowany sprzęt specjalnie zaprojektowany do symulacji zachowania i treningu neuronów. W ten sposób można osiągnąć ogromne przyspieszenie, używając neuronów, które zachowują się bardziej jak prawdziwe neurony w mózgu.

IBM i DARPA przewodzą badaniom nad chipami neuromorficznymi w ramach projektu o nazwie SyNAPSE, o którym wspominaliśmy wcześniej. Nie uwierzysz: DARPA Future Research Into Advanced Computers You You Belie uwierzyć: DARPA Future Research Into Advanced Computers DARPA jest jedną z najbardziej fascynujących i tajemniczych części rządu USA. Oto niektóre z najbardziej zaawansowanych projektów DARPA, które obiecują zmienić świat technologii. . Ostatecznym celem Synapse jest zbudowanie systemu równoważnego z kompletnym ludzkim mózgiem, zaimplementowanego w sprzęcie nie większym niż prawdziwy ludzki mózg. W najbliższym terminie IBM planuje włączyć chipy neuromorficzne do swoich systemów Watson, aby przyspieszyć rozwiązywanie niektórych podproblemów w algorytmie zależnym od sieci neuronowych.

Obecny system IBM implementuje język programowania dla sprzętu neuromorficznego, który pozwala programistom korzystać ze wstępnie wyszkolonych fragmentów sieci neuronowej (zwanych „rdzeniami”) i łączyć je ze sobą, aby budować solidne maszyny do rozwiązywania problemów. Prawdopodobnie przez długi czas nie będziesz mieć chipów neuromorficznych w komputerze, ale prawie na pewno będziesz korzystać z usług internetowych korzystających z serwerów z chipami neuromorficznymi za kilka lat.

3. Hyronowa kostka pamięci Micron

Jednym z głównych wąskich gardeł w obecnym projektowaniu komputerów jest czas potrzebny na pobranie danych z pamięci, nad którymi procesor musi pracować. Czas potrzebny na rozmowę z ultraszybkimi rejestrami wewnątrz procesora jest znacznie krótszy niż czas potrzebny na pobranie danych z pamięci RAM, co z kolei jest znacznie szybsze niż pobieranie danych z ogromnego, twardego dysku twardego.

Powoduje to, że często procesor po prostu czeka na długie odcinki czasu, aż dane dotrą, aby mógł wykonać kolejną rundę obliczeń. Pamięć podręczna procesora jest około dziesięć razy szybsza niż pamięć RAM, a pamięć RAM jest około sto tysięcy razy szybsza niż dysk twardy. Innymi słowy, jeśli rozmowa z pamięcią podręczną procesora jest jak przejście do domu sąsiada w celu uzyskania informacji, to rozmowa z pamięcią RAM jest jak przejście kilku kilometrów do sklepu po te same informacje - pobranie jej z dysku twardego jest jak chodzić na księżyc.

Technologia Micron może zerwać branżę z regularnego rozwoju konwencjonalnej technologii pamięci DDR, zastępując ją własną technologią, która układa moduły RAM w kostki i wykorzystuje kable o większej przepustowości, aby przyspieszyć rozmowę z tymi kostkami. Kostki są wbudowane bezpośrednio na płycie głównej obok procesora (zamiast umieszczane w gniazdach, takich jak konwencjonalny taran). Architektura hybrydowej kostki pamięci oferuje pięciokrotnie większą przepustowość procesora niż ramka DDR4 pojawiająca się w tym roku i zużywa 70% mniej energii. Technologia ma trafić na rynek superkomputerów na początku przyszłego roku, a na rynek konsumencki kilka lat później.

2. Przechowywanie Memristor

Innym podejściem do rozwiązania problemu z pamięcią jest zaprojektowanie pamięci komputera, która ma przewagę więcej niż jednego rodzaju pamięci. Ogólnie rzecz biorąc, kompromisy z pamięcią sprowadzają się do kosztów, prędkości dostępu i zmienności (zmienność jest właściwością konieczności stałego dostarczania energii do przechowywania danych). Dyski twarde są bardzo wolne, ale tanie i nieulotne.

Baran jest niestabilny, ale szybki i tani. Pamięć podręczna i rejestry są niestabilne i bardzo drogie, ale także bardzo szybkie. Najlepsza z obu światów technologia jest nieulotna, szybko dostępna i tania w tworzeniu. Teoretycznie memrystory oferują na to sposób.

Memzystory są podobne do rezystorów (urządzeń, które zmniejszają przepływ prądu przez obwód), z zapadką, że mają pamięć. Przepływaj przez nie prąd w jedną stronę, a ich opór wzrasta. Prąd przepływa w drugą stronę, a ich rezystancja maleje. W rezultacie możesz zbudować niedrogie, szybkie komórki pamięci typu RAM, które są nieulotne i mogą być tanie.

Rodzi to możliwość blokowania pamięci RAM tak dużej jak dyski twarde, które przechowują cały system operacyjny i system plików komputera (jak ogromny, nieulotny dysk RAM Co to jest dysk RAM i jak można go skonfigurować Co to jest pamięć RAM Dysk i sposób konfiguracji Jeden z dysków półprzewodnikowych nie jest pierwszą niemechaniczną pamięcią masową pojawiającą się na komputerach osobistych. Pamięć RAM jest używana od dziesięcioleci, ale przede wszystkim jako rozwiązanie do przechowywania krótkoterminowego. RAM sprawia, że…), do których można uzyskać dostęp z prędkością RAM. Nigdy więcej dysku twardego. Nigdy więcej chodzenia na księżyc.

HP zaprojektował komputer wykorzystujący technologię memristor i specjalną konstrukcję rdzenia, która wykorzystuje fotonikę (komunikację opartą na świetle), aby przyspieszyć tworzenie sieci między elementami obliczeniowymi. To urządzenie (zwane “Maszyna”) jest w stanie wykonać złożone przetwarzanie setek terrabajtów danych w ułamku sekundy. Pamięć memristor jest 64-128 razy gęstsza niż konwencjonalna pamięć RAM, co oznacza, że ​​fizyczny ślad urządzenia jest bardzo mały - i cały shebang zużywa znacznie mniej energii niż serwerownie, które zastępowałby. HP ma nadzieję wprowadzić na rynek komputery oparte na The Machine w ciągu najbliższych dwóch do trzech lat.

1. Procesory grafenowe

Grafen jest materiałem zbudowanym z silnie połączonych sieci atomów węgla (podobnych do nanorurek węglowych). Ma wiele niezwykłych właściwości, w tym ogromną siłę fizyczną i prawie nadprzewodnictwo. Istnieją dziesiątki potencjalnych zastosowań grafenu, od wind kosmicznych po kamizelki kuloodporne po lepsze baterie, ale ta, która jest istotna w tym artykule, to ich potencjalna rola w architekturach komputerowych.

Innym sposobem na przyspieszenie komputerów, zamiast zmniejszania rozmiaru tranzystora, jest po prostu przyspieszenie tych tranzystorów. Niestety, ponieważ krzem nie jest bardzo dobrym przewodnikiem, znaczna część mocy wysyłanej przez procesor jest zamieniana na ciepło. Jeśli spróbujesz taktować procesory krzemowe znacznie powyżej dziewięciu gigaherców, ciepło zakłóca działanie procesora. 9 gigaherców wymaga nadzwyczajnych wysiłków związanych z chłodzeniem (w niektórych przypadkach z udziałem ciekłego azotu). Większość chipów konsumenckich działa znacznie wolniej. (Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak działają tradycyjne procesory komputerowe, przeczytaj nasz artykuł Co to jest procesor i co robi? Co to jest procesor i co robi? Skrót obliczeń jest mylący. Co to jest procesor? I czy potrzebuję czterordzeniowy lub dwurdzeniowy procesor? A może AMD lub Intel? Jesteśmy tutaj, aby wyjaśnić różnicę! na ten temat).

Grafen natomiast jest doskonałym przewodnikiem. Tranzystor grafenowy może teoretycznie pracować z częstotliwością do 500 GHz, nie mówiąc o żadnych problemach cieplnych - i można go wytrawić w taki sam sposób, jak trawi się krzem. IBM wygrawerował już proste analogowe układy grafenowe, stosując tradycyjne techniki litografii układów. Do niedawna problem był dwojaki: po pierwsze, że bardzo trudno jest wytwarzać grafen w dużych ilościach, a po drugie, że nie mamy dobrego sposobu na stworzenie tranzystorów grafenowych, które całkowicie blokują przepływ prądu w ich wyłączeniu ' stan.

Pierwszy problem został rozwiązany, gdy gigant elektroniki Samsung ogłosił, że jego ramię badawcze odkryło sposób masowej produkcji całych kryształów grafenu o wysokiej czystości. Drugi problem jest bardziej skomplikowany. Problem polega na tym, że chociaż ekstremalne przewodnictwo grafenu czyni go atrakcyjnym z punktu widzenia ciepła, to irytujące, gdy chcesz zrobić tranzystory - urządzenia, które mają przestać przewodzić miliardy razy na sekundę. Grafen, w przeciwieństwie do krzemu, nie ma „pasma wzbronionego” - natężenia przepływu prądu, które jest tak niskie, że powoduje spadek przewodności materiału do zera. Na szczęście wygląda na to, że istnieje kilka opcji na tym froncie.

Samsung opracował tranzystor, który wykorzystuje właściwości interfejsu krzem-grafen w celu uzyskania pożądanych właściwości, i zbudował z nim szereg podstawowych obwodów logicznych. Chociaż nie jest to czysty komputer grafenowy, schemat ten zachowałby wiele korzystnych efektów grafenu. Inną opcją może być zastosowanie „rezystancji ujemnej” do zbudowania innego rodzaju tranzystora, który mógłby być wykorzystany do budowy bramek logicznych, które działają z większą mocą, ale z mniejszą liczbą elementów.

Spośród technologii omówionych w tym artykule grafen jest najbardziej oddalony od rzeczywistości komercyjnej. Może minąć dekada, zanim technologia będzie wystarczająco dojrzała, aby całkowicie zastąpić krzem. Jednak w perspektywie długoterminowej bardzo prawdopodobne jest, że grafen (lub wariant materiału) będzie kręgosłupem platformy obliczeniowej przyszłości.

Następne dziesięć lat

Nasza cywilizacja i znaczna część naszej gospodarki zaczęły w znacznym stopniu zależeć od Prawa Moore'a, a ogromne instytucje inwestują ogromne kwoty w próby uniknięcia jego końca. Szereg drobnych udoskonaleń (takich jak architektura układów 3D i obliczenia odporne na błędy) pomoże w utrzymaniu prawa Moore'a po jego teoretycznym sześcioletnim horyzoncie, ale takie rzeczy nie mogą trwać wiecznie.

W pewnym momencie nadchodzącej dekady będziemy musieli przejść do nowej technologii, a inteligentne pieniądze będą na grafenie. Ta zamiana poważnie wstrząśnie status quo w branży komputerowej i doprowadzi do utraty wielu fortun. Nawet grafen nie jest oczywiście trwałym rozwiązaniem. Jest bardzo prawdopodobne, że za kilka dziesięcioleci znów znajdziemy się tutaj, debatując nad tym, jaką nową technologię przejmie, skoro osiągnęliśmy już granice grafenu.

Jak myślisz, w jakim kierunku pójdzie najnowsza technologia komputerowa? Która z tych technologii ma według ciebie największe szanse na przeniesienie elektroniki i komputerów na wyższy poziom?

Zdjęcie: Kobieca ręka w rękawicach ESD przez Shutterstock