Mark Lucas
0 
1338
324
Mooreův zákon, truismus, že množství hrubé výpočetní síly dostupné pro dolar má tendenci se zdvojnásobovat zhruba každých osmnáct měsíců, je součástí tradice počítačové vědy od roku 1965, kdy Gordon Moore poprvé pozoroval tento trend a napsal o něm noviny. V té době, “Zákon” bit byl vtip. O 49 let později se nikdo nesmál.
Právě teď se počítačové čipy vyrábějí pomocí nesmírně rafinované, ale velmi staré výrobní metody. Plechy z velmi čistých křemíkových krystalů jsou potaženy různými látkami, vyryty pomocí vysoce přesných laserových paprsků, leptány kyselinou, bombardovány vysoce energetickými nečistotami a galvanicky pokoveny..
K tomuto procesu dochází více než dvacet vrstev, které vytvářejí komponenty nanočástic s přesností, která je, upřímně řečeno, ohromující. Tyto trendy bohužel nemohou navždy pokračovat.
Rychle se přibližujeme k bodu, ve kterém jsou gravírované tranzistory tak malé, že exotické kvantové efekty zabrání základnímu provozu stroje. Obecně se souhlasí, že nejnovější pokroky v počítačové technologii se dostanou do základních limitů křemíku kolem roku 2020, kdy jsou počítače asi šestnáctkrát rychlejší než dnes. Abychom mohli pokračovat v obecném trendu Mooreova zákona, musíme se rozdělit na křemíkový způsob, jakým jsme to udělali ve vakuových zkumavkách, a začít stavět čipy pomocí nových technologií, které mají více prostoru pro růst.
4. Neuromorfní čipy
Jak se trh s elektronikou pohybuje směrem k chytřejším technologiím, které se přizpůsobují uživatelům a automatizují více intelektuální grunt práce, mnoho problémů, které počítače musí řešit, se soustředí na učení a optimalizaci strojů. Jednou z výkonných technologií používaných k řešení těchto problémů jsou „neuronové sítě“.
Neuronové sítě odrážejí strukturu mozku: mají uzly, které představují neurony, a vážená spojení mezi uzly, které představují synapse. Informace proudí sítí, manipulované váhami za účelem řešení problémů. Jednoduchá pravidla diktují, jak se mění váhy mezi neurony, a tyto změny lze využít k produkci učení a inteligentního chování. Tento druh učení je výpočetně nákladný, když je simulován běžným počítačem.
Neuromorfní čipy se to snaží řešit pomocí vyhrazeného hardwaru speciálně navrženého pro simulaci chování a trénování neuronů. Tímto způsobem lze dosáhnout enormního zrychlení při použití neuronů, které se chovají spíše jako skutečné neurony v mozku.
IBM a DARPA vedly obvinění z výzkumu neuromorfních čipů prostřednictvím projektu s názvem SyNAPSE, který jsme zmínili dříve, než tomu nebudete věřit: DARPA Budoucí výzkum do pokročilých počítačů Nebudete tomu věřit: DARPA Budoucí výzkum do pokročilých počítačů DARPA je jednou z nejvíce fascinujících a tajných částí americké vlády. Následuje několik nejpokročilejších projektů DARPA, které slibují transformaci světa technologií. . Synapse má konečný cíl vybudovat systém ekvivalentní úplnému lidskému mozku, implementovaný v hardwaru ne větším než skutečný lidský mozek. V nejbližším období IBM plánuje zahrnout do svých systémů Watson neuromorfní čipy, aby urychlila řešení určitých dílčích problémů v algoritmu, který závisí na neuronových sítích.
Současný systém IBM implementuje programovací jazyk pro neuromorfní hardware, který umožňuje programátorům používat předem vyškolené fragmenty neuronové sítě (nazývané „korelety“) a propojit je dohromady, aby vytvořily robustní stroje pro řešení problémů. Pravděpodobně nebudete mít neuromorfní čipy ve svém počítači po dlouhou dobu, ale téměř určitě budete používat webové služby, které používají servery s neuromorfními čipy za pár let.
3. Mikronová hybridní paměťová kostka
Jedním ze základních problémů současného návrhu počítače je doba potřebná k načtení dat z paměti, na které procesor potřebuje pracovat. Čas potřebný k rozhovoru s ultrarychlými registry uvnitř procesoru je podstatně kratší než čas potřebný k načtení dat z paměti RAM, což je zase mnohem rychlejší než načítání dat z těžkopádného, plodného pevného disku..
Výsledkem je, že procesor často nechává čekat dlouho, než dorazí data, takže může provést další kolo výpočtů. Paměť mezipaměti procesoru je asi desetkrát rychlejší než RAM a RAM je asi stotisíckrát rychlejší než pevný disk. Jinak řečeno, pokud mluví do mezipaměti procesoru jako chodit do sousedního domu a získat nějaké informace, pak mluvit do RAM je jako chodit pár kilometrů do obchodu se stejnými informacemi - získat to z pevného disku je jako chůze na měsíc.
Micron Technology může toto odvětví odtrhnout od běžného vývoje konvenční paměťové technologie DDR a nahradit ji vlastní technologií, která hromadí moduly RAM do krychlí a používá kabely s větší šířkou pásma, aby bylo rychlejší mluvit s těmito krychli. Kostky jsou postaveny přímo na základní desce vedle procesoru (spíše než vloženy do slotů, jako je konvenční beran). Architektura hybridní paměťové kostky nabízí procesorům pětkrát větší šířku pásma než DDR4, která vyjde letos, a spotřebovává o 70% méně energie. Očekává se, že tato technologie zasáhne trh superpočítačů začátkem příštího roku a spotřebitelský trh o několik let později.
2. Memristor Storage
Jiný přístup k řešení problému s pamětí spočívá v návrhu počítačové paměti, která má výhodu více než jednoho druhu paměti. Obecně platí, že kompromisy s pamětí se scvrkávají na náklady, rychlost přístupu a volatilitu (volatilita je vlastnost vyžadující neustálé dodávky energie, aby byla data uložena). Pevné disky jsou velmi pomalé, ale levné a energeticky nezávislé.
Ram je těkavý, ale rychlý a levný. Mezipaměť a registry jsou volatilní a velmi drahé, ale také velmi rychlé. Nejlepší z obou světů je technologie, která je energeticky nezávislá, rychle přístupná a levně vytvářitelná. Teoreticky nabízejí memristors způsob, jak toho dosáhnout.
Memristory jsou podobné rezistorům (zařízení, která snižují tok proudu obvodem), se západkou mají paměť. Jedním způsobem jim protékejte proudem a jejich odpor se zvyšuje. Proud protékejte jiným způsobem a jejich odpor klesá. Výsledkem je, že můžete vytvářet levné, vysokorychlostní paměťové buňky ve stylu RAM, které jsou energeticky nenáročné a lze je levně vyrábět..
Tím se zvyšuje možnost bloků RAM tak velkých jako pevných disků, které ukládají celý operační systém a souborový systém počítače (jako je obrovský, energeticky nezávislý disk RAM Co je to disk RAM a jak můžete nastavit jeden, co je RAM) Disk a způsob, jak nastavit jeden Pevný disk SSD není prvním nemechanickým úložištěm, které se objevuje na spotřebitelských počítačích. RAM se používá po celá desetiletí, ale především jako řešení krátkodobého úložiště. RAM to dělá…), ke všem lze přistupovat rychlostí RAM. Už žádný pevný disk. Už žádné chůzi na Měsíc.
Společnost HP navrhla počítač pomocí technologie memristor a specializovaného návrhu jádra, který využívá fotoniku (světelná komunikace) k urychlení vytváření sítí mezi výpočetními prvky. Toto zařízení (nazývá se “Stroj”) je schopen provádět komplexní zpracování na stovkách terrabytů dat za zlomek sekundy. Paměť paměti je 64-128krát hustší než konvenční RAM, což znamená, že fyzická stopa zařízení je velmi malá - a celý shebang spotřebuje mnohem méně energie než serverové místnosti, které by nahradil. Společnost HP doufá, že v následujících dvou až třech letech uvede na trh počítače založené na stroji.
1. Grafenové procesory
Graphene je materiál vyrobený ze silně vázaných mřížek atomů uhlíku (podobných uhlíkovým nanotrubicím). Má řadu pozoruhodných vlastností, včetně obrovské fyzické síly a téměř supravodivosti. Existují desítky potenciálních aplikací pro grafen, od vesmírných výtahů, brnění po lepší baterie, ale ten, který je pro tento článek relevantní, je jejich potenciální úloha v počítačových architekturách..
Dalším způsobem, jak zrychlit počítače, spíše než zmenšit velikost tranzistoru, je jednoduše zrychlit tyto tranzistory. Bohužel, protože křemík není velmi dobrý dirigent, značné množství energie vysílané procesorem se převádí na teplo. Pokud se pokusíte hodiny křemíku zpracovat mnohem více než devět gigahertzů, teplo ovlivňuje činnost procesoru. 9 gigahertz vyžaduje mimořádné chladicí úsilí (v některých případech s kapalným dusíkem). Většina zákaznických čipů běží mnohem pomaleji. (Chcete-li se dozvědět více o tom, jak konvenční počítačové procesory pracují, přečtěte si náš článek Co je CPU a co dělá? Co je CPU a co dělá? Výpočtové zkratky jsou matoucí. Co je to CPU stejně? čtyřjádrový nebo dvoujádrový procesor? A co AMD nebo Intel? Jsme tu, abychom vám pomohli vysvětlit rozdíl!.
Grafen je naopak vynikajícím dirigentem. Grafenový tranzistor může teoreticky běžet až do 500 GHz, aniž by bylo třeba mluvit o problémech s teplem - a můžete ho leptat stejným způsobem, jako leptáte křemík. IBM již vyryla jednoduché analogové grafenové čipy pomocí tradičních technik litografie čipů. Až donedávna byl problém dvojnásobný: zaprvé, že je velmi obtížné vyrábět grafen ve velkém množství, a za druhé, že nemáme dobrý způsob, jak vytvořit grafenové tranzistory, které zcela blokují tok proudu v jejich „off“ ' Stát.
První problém byl vyřešen, když elektronický gigant Samsung oznámil, že jeho výzkumná skupina objevila způsob hromadné výroby celých grafenových krystalů s vysokou čistotou. Druhý problém je složitější. Problém je v tom, že zatímco grafenova extrémní vodivost z něj dělá přitažlivou z hlediska tepla, je to také nepříjemné, když chcete vyrobit tranzistory - zařízení, která jsou určena k zastavení vedení miliardkrát za sekundu. Grafen na rozdíl od křemíku postrádá „pásmovou mezeru“ - rychlost toku proudu, která je tak nízká, že způsobí, že materiál klesne na nulovou vodivost. Naštěstí to vypadá, že na této frontě je několik možností.
Společnost Samsung vyvinula tranzistor, který využívá vlastnosti rozhraní křemík-grafen k vytvoření požadovaných vlastností, a vytvořil s ním řadu základních logických obvodů. I když nejde o čistě grafenový počítač, toto schéma by zachovalo mnoho výhodných účinků grafenu. Další možností může být použití 'záporného odporu' k vybudování jiného druhu tranzistoru, který by mohl být použit pro konstrukci logických bran, které pracují při vyšším výkonu, ale s menším počtem prvků.
Z technologií diskutovaných v tomto článku je grafen nejvzdálenější od komerční reality. Může trvat až deset let, než bude technologie dostatečně vyzrálá, aby opravdu nahradila křemík. Z dlouhodobého hlediska je však velmi pravděpodobné, že grafen (nebo varianta materiálu) bude páteří počítačové platformy budoucnosti.
Dalších deset let
Naše civilizace a velká část naší ekonomiky se hluboce spoléhaly na Mooreův zákon a obrovské instituce investují obrovské množství peněz do snahy zabránit jejímu konci. Řada drobných vylepšení (jako jsou architektury 3D čipů a výpočetní odolnost proti chybám) pomůže udržet Mooreův zákon kolem jeho teoretického šestiletého horizontu, ale taková věc nemůže trvat věčně.
V určitém okamžiku v nadcházejícím desetiletí budeme muset přejít na novou technologii a inteligentní peníze jsou na grafenu. Tento přechod bude vážně otřást současným stavem počítačového průmyslu a vydělat a ztratit spoustu štěstí. Dokonce ani grafen není samozřejmě trvalým řešením. Je velmi pravděpodobné, že za několik desetiletí se můžeme znovu ocitnout zpět a diskutovat o tom, jaká nová technologie bude převzata, nyní, když jsme dosáhli limitů grafenu.
Jakým směrem se domníváte, že nejnovější počítačová technologie bude pokračovat? Která z těchto technologií má podle vás nejlepší šanci přenést elektroniku a počítače na další úroveň??
Image Credits: Ženská ruka v rukavicích ESD Via Shutterstock