Den seneste computerteknologi, du skal se for at tro

Moore's Law, den truisme, at mængden af ​​rå computerkraft, der er til rådighed for en dollar, har en tendens til at fordobles omtrent hver atten måned, har været en del af datalogi siden 1965, da Gordon Moore først observerede tendensen og skrev et papir om det. På det tidspunkt, “Lov” bit var en vittighed. 49 år senere griner ingen.

Lige nu fremstilles computerchips ved hjælp af en utrolig raffineret, men meget gammel fremstillingsmetode. Ark af meget rene siliciumkrystaller er coatet i forskellige stoffer, indgraveret ved hjælp af højpræcisions laserstråler, ætset med syre, bombarderet med urenheder med høj energi og elektropletteret.

Mere end tyve lag af denne proces forekommer og bygger nanoskalaekomponenter med en præcision, der er ærligt talt. Desværre kan disse tendenser ikke fortsætte for evigt.

Vi nærmer os hurtigt det punkt, hvor transistorer, vi graverer, vil være så små, at eksotiske kvanteeffekter forhindrer maskinens grundlæggende betjening. Det er generelt aftalt, at de nyeste fremskridt inden for computerteknologi vil løbe ind i de grundlæggende grænser for silicium omkring 2020, når computere er seksten gange hurtigere end de er i dag. Så for at den generelle tendens i Moores lov skal fortsætte, bliver vi nødt til at dele måder med silicium, som vi gjorde med vakuumrør, og begynde at bygge chips ved hjælp af nye teknologier, der har mere plads til vækst.

4. Neuromorfe chips

Når elektronikmarkedet bevæger sig mod smartere teknologier, der tilpasser sig brugerne og automatiserer mere intellektuelt grynt arbejde, er mange af de problemer, computere har brug for at løse, centreret omkring maskinlæring og optimering. En kraftfuld teknologi, der bruges til at løse sådanne problemer, er 'neurale netværk'.

Neurale netværk afspejler strukturen i hjernen: de har knudepunkter, der repræsenterer neuroner, og vægtede forbindelser mellem de knudepunkter, der repræsenterer synapser. Information flyder gennem netværket, manipuleret med vægten for at løse problemer. Enkle regler dikterer, hvordan vægten mellem neuroner ændrer sig, og disse ændringer kan udnyttes til at producere læring og intelligent opførsel. Denne slags læring er beregningsdygtig, når den simuleres af en konventionel computer.

Neuromorfe chips forsøger at tackle dette ved hjælp af dedikeret hardware specifikt designet til at simulere opførsel og træning af neuroner. På denne måde kan man opnå en enorm speedup, mens man bruger neuroner, der opfører sig mere som de rigtige neuroner i hjernen.

IBM og DARPA har ført gebyret for neuromorfisk chip-forskning via et projekt kaldet SyNAPSE, som vi før har nævnt Du vil ikke tro det: DARPA Fremtidsforskning i avancerede computere Du vil ikke tro det: DARPA Fremtidsforskning til avancerede computere DARPA er en af ​​de mest fascinerende og hemmeligholdende dele af den amerikanske regering. Følgende er nogle af DARPAs mest avancerede projekter, der lover at omdanne verden af ​​teknologi. . Synapse har det endelige mål at opbygge et system, der svarer til en komplet menneskelig hjerne, implementeret i hardware, der ikke er større end en rigtig menneskelig hjerne. På det nærmeste sigt planlægger IBM at inkludere neuromorfe chips i sine Watson-systemer for at fremskynde løsningen af ​​visse delproblemer i algoritmen, der afhænger af neurale netværk.

IBMs nuværende system implementerer et programmeringssprog til neuromorfisk hardware, der giver programmører mulighed for at bruge foruddannede fragmenter af et neuralt netværk (kaldet 'corelets') og forbinde dem sammen for at opbygge robuste problemløsningsmaskiner. Du har sandsynligvis ikke neuromorfe chips på din computer i lang tid, men du vil næsten helt sikkert bruge webservices, der bruger servere med neuromorfe chips på bare et par år.

3. Micron Hybrid Memory Cube

En af de vigtigste flaskehalser for det aktuelle computerdesign er den tid det tager at hente dataene fra hukommelsen, som processoren har brug for at arbejde på. Tiden, der kræves til at tale med de ultrahurtige registre i en processor, er betydeligt kortere end den tid, der kræves til at hente data fra RAM, hvilket igen er meget hurtigere end at hente data fra den vidunderlige, plagde harddisk.

Resultatet er, at processoren ofte forlades, blot ved at vente på lange strækninger af tid til data ankommer, så den kan gøre den næste runde af beregninger. Processorcachehukommelse er cirka ti gange hurtigere end RAM, og RAM er cirka hundrede tusind gange hurtigere end harddisken. Sagt på en anden måde, hvis at tale med processorcachen er som at gå til naboens hus for at få nogle oplysninger, så er det at tale med RAM som at gå et par miles til butikken for at få de samme oplysninger - at få det fra harddisken er som gå til månen.

Micron Technology kan ødelægge industrien fra den regelmæssige udvikling af konventionel DDR-hukommelsesteknologi og erstatte den med deres egen teknologi, som stabler RAM-moduler i terninger og bruger kabler med højere båndbredde for at gøre det hurtigere at tale med disse terninger. Terningerne er bygget direkte på bundkortet ved siden af ​​processoren (snarere end indsat i slots som konventionens ramme). Hybridkubearkitekturen tilbyder processoren fem gange mere båndbredde end DDR4-rammen, der kommer ud i år, og bruger 70% mindre strøm. Teknologien forventes at ramme supercomputermarkedet tidligt næste år og forbrugermarkedet et par år senere.

2. Opbevaring af Memristor

En anden tilgang til løsning af hukommelsesproblemet er at designe computerhukommelse, der har fordelen ved mere end en slags hukommelse. Generelt koges kompromiser med hukommelse ned til omkostninger, adgangshastighed og volatilitet (volatilitet er egenskaben ved at have behov for en konstant strømforsyning for at gemme data). Harddiske er meget langsomme, men billige og ikke-flygtige.

Ram er flygtig, men hurtig og billig. Cache og registre er flygtige og meget dyre, men også meget hurtige. Den bedste af begge verdener teknologi er en, der er ustabil, hurtig at få adgang til og billig at skabe. I teorien tilbyder memristorer en måde at gøre det på.

Memristors ligner modstande (enheder, der reducerer strømmen af ​​strøm gennem et kredsløb) med den fangst, de har hukommelse. Kør strøm gennem dem en måde, og deres modstand øges. Kør strøm gennem den anden vej, og deres modstand falder. Resultatet er, at du kan bygge billige, hurtige RAM-stil hukommelsesceller, der er ikke-flygtige, og som kan fremstilles billigt.

Dette øger muligheden for, at RAM-blokke er lige så store som harddiske, der gemmer hele OS og filsystemet på computeren (som en enorm, ikke-flygtig RAM-disk. Hvad er en RAM-disk, og hvordan du kan opsætte en, hvad er en RAM, Disk, og hvordan du kan indstille en op Harddisk i solid state er ikke den første ikke-mekaniske lager, der vises på forbruger-pc'er. RAM er blevet brugt i årtier, men primært som en kortvarig lagerløsning. De hurtige adgangstider på RAM gør det…), som alle kan nås med RAM-hastigheden. Ikke mere harddisk. Ikke mere at gå til månen.

HP har designet en computer ved hjælp af memristor-teknologi og specialiseret kerne-design, der bruger fotonik (lysbaseret kommunikation) til at fremskynde netværk mellem beregningselementer. Denne enhed (kaldet “Maskinen”) er i stand til at udføre kompleks behandling på hundreder af terrabyte af data i en brøkdel af et sekund. Memristor-hukommelsen er 64-128 gange tættere end konventionel RAM, hvilket betyder, at enhedens fysiske fodaftryk er meget lille - og hele shebang bruger langt mindre strøm end de serverrum, den ville erstatte. HP håber at bringe computere, der er baseret på The Machine, på markedet i de næste to til tre år.

1. Graphene-processorer

Grafen er et materiale lavet af stærkt bundne gitter af carbonatomer (svarende til carbon nanorør). Det har en række bemærkelsesværdige egenskaber, herunder enorm fysisk styrke og næsten superledelse. Der er snesevis af potentielle applikationer til grafen, fra rum elevatorer til body armor til bedre batterier, men den der er relevant for denne artikel er deres potentielle rolle i computerarkitekturer.

En anden måde at gøre computere hurtigere i stedet for at krympe transistorstørrelse er at blot få disse transistorer til at køre hurtigere. Desværre, fordi silicium ikke er en særlig god leder, afvikles en betydelig mængde strøm, der sendes gennem processoren, konverteret til varme. Hvis du prøver at lægge siliciumprocessorer op langt over ni gigahertz, forstyrrer varmen processen af ​​processoren. De 9 gigahertz kræver ekstraordinær køleindsats (i nogle tilfælde involverende flydende nitrogen). De fleste forbrugerchips kører meget langsommere. (For at lære mere om, hvordan konventionelle computerprocessorer fungerer, skal du læse vores artikel Hvad er en CPU og hvad gør den? Hvad er en CPU og hvad gør den? Computing akronymer er forvirrende. Hvad er en CPU alligevel? Og har jeg brug for en quad eller dual-core processor? Hvad med AMD eller Intel? Vi er her for at hjælpe med at forklare forskellen! om emnet).

I modsætning hertil er grafen en fremragende dirigent. En grafentransistor kan i teorien løbe op til 500 GHz uden varmeproblemer at tale om - og du kan ætses på samme måde som du ætser silicium. IBM har allerede indgraveret enkle analoge grafenchips ved hjælp af traditionelle chip-litografiteknikker. Indtil for nylig har problemet været to gange: for det første, at det er meget vanskeligt at fremstille grafen i store mængder, og for det andet, at vi ikke har en god måde at skabe grafentransistorer, der helt blokerer for strømmen i deres 'off ' stat.

Det første problem blev løst, da elektronikgiganten Samsung meddelte, at dens forskningsarm havde opdaget en måde at masseproducere hele grafenkrystaller med høj renhed. Det andet problem er mere kompliceret. Spørgsmålet er, at selv om grafenens ekstreme konduktivitet gør den attraktiv fra et varmeperspektiv, er det også irriterende, når du vil lave transistorer - enheder, der er beregnet til at stoppe ledningen milliarder af gange i sekundet. Grafen mangler i modsætning til silicium et 'båndgap' - en strømningshastighed, der er så lav, at det får materialet til at falde til nul ledningsevne. Heldigvis ser det ud som om der er et par muligheder på denne front.

Samsung har udviklet en transistor, der bruger egenskaberne i en silicium-grafen-grænseflade for at producere de ønskede egenskaber, og bygget et antal grundlæggende logiske kredsløb med det. Selvom det ikke er en ren grafencomputer, ville dette skema bevare mange af de fordelagtige virkninger af grafen. En anden mulighed kan være brugen af ​​'negativ modstand' til at opbygge en anden form for transistor, der kunne bruges til at konstruere logiske porte, der fungerer med højere effekt, men med færre elementer.

Af de teknologier, der er omtalt i denne artikel, er grafen det fjerneste fra kommerciel virkelighed. Det kan tage op til et årti, før teknologien er moden nok til virkelig at erstatte silicium helt. På længere sigt er det imidlertid meget sandsynligt, at grafen (eller en variant af materialet) vil være rygraden i fremtidens computerplatform.

De næste ti år

Vores civilisation og meget af vores økonomi er afhængig af Moores lov på dybtgående måder, og enorme institutioner investerer enorme mængder penge i at forsøge at forhindre dens ende. En række mindre forbedringer (som 3D-chiparkitekturer og fejltolerant computing) vil hjælpe med at opretholde Moore's Law forbi sin teoretiske seksårige horisont, men den slags ting kan ikke vare evigt.

På et tidspunkt i det kommende årti skal vi tage springet til en ny teknologi og de smarte penge på grafen. Denne overgang vil alvorligt ryste op for statusindustrien i computerindustrien og skabe og miste en masse formuer. Selv grafen er naturligvis ikke en permanent løsning. Det er meget sandsynligt, at vi i løbet af få årtier måske finder os tilbage her igen og diskuterer, hvad ny teknologi vil overtage, nu hvor vi har nået grænsen for grafen.

Hvilken retning tror du, at den nyeste computerteknologi vil tage? Hvilken af ​​disse teknologier tror du har den bedste chance for at tage elektronik og computere til det næste niveau?

Billedkreditter: Kvindelig hånd i ESD-handsker Via Shutterstock