Tehnologia ultimelor calculatoare pe care trebuie să le credeți

Legea lui Moore, truismul potrivit căruia cantitatea de putere calculată brut disponibilă pentru un dolar tinde să se dubleze aproximativ la fiecare optsprezece luni, a fost o parte a științei informatice din 1965, când Gordon Moore a observat pentru prima dată tendința și a scris o lucrare despre el. În acel moment, “Lege” bit era o glumă. 49 de ani mai târziu, nimeni nu râde.

Chiar acum, chips-urile de computere sunt realizate folosind o metodă de fabricare imensă, dar foarte veche. Frunzele de cristale de siliciu foarte pure sunt acoperite cu diferite substanțe, gravate cu ajutorul unor fascicule laser de înaltă precizie, gravate cu acid, bombardate cu impurități de energie ridicată și electroplate.

Mai mult de douăzeci de straturi ale acestui proces apar, construind componente nanoscale cu o precizie care este, sincer, minte-boggling. Din păcate, aceste tendințe nu pot continua pentru totdeauna.

Ne apropiem rapid de punctul în care tranzistoarele pe care le gravim vor fi atât de mici încât efectele cuantice exotice vor împiedica funcționarea de bază a mașinii. În general, sa convenit că cele mai recente progrese în domeniul tehnologiei informatice se vor desfășura în limitele fundamentale ale siliciului în jurul anului 2020, când computerele sunt de aproximativ șaisprezece ori mai rapide decât în ​​prezent. Deci, pentru ca tendința generală a Legii lui Moore să continue, va trebui să ne despărțim de siliciu așa cum am făcut-o cu tuburile vidate și să începem să construim jetoane folosind tehnologii noi care au mai mult spațiu de creștere.

4. Chipsuri neomorfe

Pe măsură ce piața de electronică se îndreaptă spre tehnologii mai inteligente, care se adaptează utilizatorilor și automatizează munca intelectuală, multe dintre problemele pe care calculatoarele trebuie să le rezolve sunt centrate pe învățarea și optimizarea mașinilor. O tehnologie puternică folosită pentru a rezolva astfel de probleme sunt "rețelele neuronale".

Rețelele neuronale reflectă structura creierului: ele au noduri care reprezintă neuroni și legături ponderate între acele noduri care reprezintă sinapse. Informațiile curg prin rețea, manipulate de greutăți, pentru a rezolva problemele. Regulile simple dictează modul în care se schimbă greutățile dintre neuroni, iar aceste schimbări pot fi exploatate pentru a produce comportament de învățare și inteligență. Acest tip de învățare este computational scump când este simulat de un calculator convențional.

Chipsurile neomorfe încearcă să abordeze acest lucru prin utilizarea unui hardware dedicat special creat pentru a simula comportamentul și antrenarea neuronilor. În acest fel, se poate realiza o accelerare enormă, în timp ce se utilizează neuroni care se comportă mai mult ca neuronii reali din creier.

IBM și DARPA au condus taxa pe cercetarea cipurilor neuromorfică printr-un proiect numit SyNAPSE, pe care l-am menționat înainte de a nu-l credeți: DARPA Cercetări viitoare în computerele avansate nu le veți crede: DARPA Cercetarea viitoare în calculatoarele avansate DARPA este una dintre cele mai fascinante și secretive părți ale guvernului SUA. Următoarele sunt câteva dintre cele mai avansate proiecte ale DARPA care promite să transforme lumea tehnologiei. Citeste mai mult . Synapse are scopul final de a construi un sistem echivalent cu un creier uman complet, implementat în hardware nu mai mare decât un creier uman real. În termenul apropiat, IBM intenționează să includă chips-uri neuromorfe în sistemele sale Watson, pentru a accelera rezolvarea anumitor sub-probleme în algoritmul care depinde de rețelele neuronale.

Sistemul actual al IBM implementează un limbaj de programare pentru hardware-ul neuromorf care permite programatorilor să utilizeze fragmente pre-instruite ale unei rețele neuronale (numite corelets) și le leagă pentru a construi mașini robuste de rezolvare a problemelor. Probabil că nu veți avea cipuri neuromorfe în computerul dvs. pentru o lungă perioadă de timp, dar veți folosi aproape sigur servicii web care folosesc servere cu cipuri neuromorfe în doar câțiva ani.

3. Cubul de memorie Hybrid Hybrid

Unul dintre principalele blocaje pentru proiectarea curentă a computerului este timpul necesar pentru a prelua datele din memoria pe care trebuie să o lucreze procesorul. Timpul necesar pentru a vorbi cu registrele ultra-rapide din interiorul unui procesor este considerabil mai scurt decât timpul necesar pentru a prelua date din memoria RAM, ceea ce este, la rândul său, mult mai rapid decât preluarea datelor de pe discul dur.

Rezultatul este că, deseori, procesorul este lăsat pur și simplu de așteptare pentru perioade lungi de timp pentru ca datele să ajungă, astfel încât să poată face următoarea rundă de calcule. Memoria cache-ului procesorului este de aproximativ zece ori mai rapidă decât memoria RAM, iar memoria RAM este de aproximativ o sută de mii de ori mai rapidă decât hard disk-ul. Altfel, dacă vorbim despre memoria cache a procesorului este ca și cum ați merge la casa vecinului pentru a obține informații, discuția cu RAM este ca și cum ați merge la câteva mile până la magazin pentru aceleași informații - obținerea de pe hard disk este ca mers spre lună.

Micron Technology poate rupe industria de progresul obișnuit al tehnologiei convenționale de memorie DDR, înlocuind-o cu tehnologia proprie, care stochează modulele RAM în cuburi și utilizează cabluri cu lățime de bandă mai mare pentru a face mai repede vorbirea cu acele cuburi. Cuburile sunt construite direct pe placa de baza de lângă procesor (mai degrabă decât introduse în sloturi ca ram-ul convențional). Arhitectura cubului de memorie hibrid oferă procesorului o lățime de bandă de cinci ori mai mare decît berbecul DDR4 care iese în acest an și folosește o putere mai mică cu 70%. Tehnologia este de așteptat să atingă piața supercomputerelor la începutul anului viitor, iar piața consumatorilor câțiva ani mai târziu.

2. Memristor Storage

O altă abordare pentru rezolvarea problemei de memorie este proiectarea memoriei computerului care are avantajul mai multor tipuri de memorie. În general, compromisurile cu memorie scad costul, viteza de acces și volatilitatea (volatilitatea este proprietatea necesității unei alimentări constante de energie pentru păstrarea datelor stocate). Unitățile hard disk sunt foarte lent, dar ieftine și non-volatile.

Ramul este volatil, dar rapid și ieftin. Cache-urile și registrele sunt volatile și foarte scumpe, dar și foarte rapide. Tehnologia cel mai bun din lume este cea care este non-volatilă, rapidă de accesat și ieftină de creat. În teorie, memristorii oferă o modalitate de a face acest lucru.

Memristorii sunt similari cu rezistentele (dispozitive care reduc curentul printr-un circuit), cu captura pe care o au in memorie. Executați curent prin ele într-un fel, iar rezistența lor crește. Executați curent prin altfel, iar rezistența acestora scade. Rezultatul este că puteți construi celule de memorie în stil RAM ieftine, de mare viteză, care sunt nonvolatile și pot fi fabricate ieftin.

Acest lucru ridică posibilitatea blocurilor RAM la fel de mari ca și hard disk-urile care stochează întregul sistem de operare și sistemul de fișiere al calculatorului (cum ar fi un disc RAM imens, ce nu este volatil) Ce este un disc RAM și cum poți stabili unul Ce este un RAM Disc-ul și modul în care puteți seta o singură unitate Hard disk-urile de tip solid nu sunt primele stocări nemedicale care apar pe PC-urile de consum. RAM-ul a fost folosit de zeci de ani, dar mai ales ca o soluție de stocare pe termen scurt. RAM o face ... Read More), toate acestea putând fi accesate la viteza RAM. Nu mai aveți un hard disk. Nu mai mergi pe lună.

HP a proiectat un calculator care utilizează tehnologia memristor și designul de bază specializat, care folosește tehnologie fotonică (comunicare bazată pe lumină) pentru a accelera crearea de rețele între elementele de calcul. Acest dispozitiv (numit “Mașina”) este capabil să facă procesări complexe pe sute de terabiți de date într-o fracțiune de secundă. Memoria memristor este de 64-128 ori mai densă decât cea convențională RAM, ceea ce înseamnă că amprenta fizică a dispozitivului este foarte mică - și întregul shebang folosește mult mai puțină energie decât camerele servere pe care le-ar înlocui. HP speră să aducă pe piață calculatoarele bazate pe The Machine în următorii doi-trei ani.

1. Procesoare de grafen

Grafenul este un material fabricat din laturi puternic legate de atomi de carbon (similar cu nanotuburile de carbon). Are o serie de proprietăți remarcabile, incluzând o forță fizică imensă și o superconductivitate apropiată. Există zeci de aplicații potențiale pentru grafen, de la lifturile spațiale până la armura corpului, pentru baterii mai bune, dar cel care este relevant pentru acest articol este rolul lor potențial în arhitecturile computerizate.

Un alt mod de a face computerele mai repede, mai degrabă decât micsorarea dimensiunii tranzistorilor, este de a face pur și simplu acele tranzistoare să ruleze mai repede. Din păcate, deoarece siliciul nu este un dirijor foarte bun, o cantitate semnificativă de energie trimisă prin procesor se învârte transformată în căldură. Dacă încercați să procesați procesoare de siliciu cu mult peste 9 gigahertzi, căldura interferează cu funcționarea procesorului. 9 gigahertz necesită eforturi extraordinare de răcire (în unele cazuri care implică azot lichid). Cele mai multe cipuri de consum rulează mult mai lent. (Pentru a afla mai multe despre modul în care funcționează procesoarele computerizate convenționale, citiți articolul nostru Ce este un procesor și ce face acesta? Ce este un procesor și ce face? Acronimele de calcul sunt confuze. Quad sau dual-core? Cum rămâne cu AMD sau Intel? Suntem aici pentru a explica diferența! Citește mai multe despre acest subiect).

Grafenul, în schimb, este un dirijor excelent. Un tranzistor graphene poate, teoretic, să ruleze până la 500 GHz fără probleme de căldură pentru a vorbi despre - și, puteți etch-o în același mod în care etchul siliconului. IBM a gravat deja cipuri analogice graphene analogice, utilizând tehnici tradiționale de litografie pe cip. Până de curând, problema a fost de două ori: în primul rând, că este foarte dificil să se producă grafen în cantități mari și, în al doilea rând, că nu avem o modalitate bună de a crea tranzistori de grafen care să blocheze în întregime fluxul curentului ' stat.

Prima problemă a fost rezolvată când gigantul de electronice Samsung a anunțat că bratul său de cercetare a descoperit o modalitate de a produce în masă cristale întregi de grafen cu puritate ridicată. A doua problemă este mai complicată. Problema este că, în timp ce conductivitatea extremă a lui Graphene îl face atractivă din punct de vedere al căldurii, este și enervant atunci când doriți să faceți tranzistori - dispozitive care sunt destinate să oprească efectuarea de miliarde de ori pe secundă. Grafenul, spre deosebire de siliciu, nu are un "decalaj de bandă" - o rată de debit de curent care este atât de scăzută încât determină scăderea conductivității la zero. Din fericire, se pare că există câteva opțiuni pe acest front.

Samsung a dezvoltat un tranzistor care utilizează proprietățile unei interfețe de silicon-grafeniu pentru a produce proprietățile dorite și a construit împreună cu el o serie de circuite logice de bază. Deși nu era un calculator cu grafină pură, această schemă ar păstra multe dintre efectele benefice ale grafenului. O altă opțiune poate fi folosirea rezistenței negative pentru a construi un alt tip de tranzistor care ar putea fi folosit pentru a construi porți logice care funcționează la o putere mai mare, dar cu mai puține elemente.

Dintre tehnologiile discutate în acest articol, grafenul este cel mai îndepărtat de realitatea comercială. Ar putea dura până la un deceniu pentru ca tehnologia să fie suficient de matură pentru a înlocui cu adevărat siliciul. Cu toate acestea, pe termen lung, este foarte probabil ca grafenul (sau o variantă a materialului) să fie coloana vertebrală a platformei de calcul a viitorului.

Următorii zece ani

Civilizația noastră și o mare parte a economiei noastre au ajuns să depindă în mod profund de Legea lui Moore, iar instituțiile enorme investesc sume enorme de bani în încercarea de a-și preveni sfârșitul. Un număr de îmbunătățiri minore (cum ar fi arhitecturile cu chipuri 3D și calculul tolerant la erori) vor contribui la susținerea Legii lui Moore de-a lungul orizontului său teoretic de șase ani, dar acest tip de lucru nu poate dura pentru totdeauna.

La un moment dat în deceniul următor, va trebui să facem saltul la o nouă tehnologie, iar banii inteligenți sunt pe grafen. Această schimbare va schimba serios statu-quo-ul industriei de calculatoare și va face și va pierde multe averi. Chiar și grafenul nu este, desigur, o soluție permanentă. Este foarte probabil ca în câteva decenii să ne găsim din nou aici, dezbătând ce tehnologie nouă va prelua, acum că am atins limitele grafenului.

Ce direcție credeți că va lua ultima tehnologie de calcul? Care dintre aceste tehnologii credeți că are cea mai bună șansă de a lua electronice și computere la nivelul următor?

Creditele de imagine: Mână de sex feminin în mănuși ESD Via Shutterstock

Explorați mai multe despre: CPU.