Reklame
Moores lov, den truisme, at mængden af rå computerkraft, der er til rådighed for en dollar, har tendens til at fordobles omtrent hver halvannet år har været en del af datalogi siden 1965, da Gordon Moore først observerede tendensen og skrev en papir på det. På det tidspunkt var "lov" -biten en vittighed. 49 år senere griner ingen.
Lige nu laves computerchips ved hjælp af en utroligt raffineret, men meget gammel fremstillingsmetode. Ark af meget rene siliciumkrystaller er belagt 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 løber inden for 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 Moore's Law fortsætter, er vi nødt til at dele måder med silicium på den måde, vi gør gjorde med vakuumrør og begynd 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 intellektuelle grynt arbejde, mange af de problemer, computere har brug for at løse, er 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 vægtene 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 form for 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 satsen for neuromorfisk chip-forskning via et projekt kaldet SyNAPSE, som vi har nævnt før Du vil ikke tro det: DARPA Fremtidsforskning i avancerede computereDARPA 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. Læs mere . 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 nærmere sigt planlægger IBM at inkluderer neuromorfe chips i dets 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 programmerere mulighed for at bruge foruddannede fragmenter af et neuralt netværk (kaldet 'corelets') og forbinder dem sammen for at opbygge robust problemløsning maskiner. Du har sandsynligvis ikke neuromorfe chips på din computer i lang tid, men du bruger næsten helt sikkert 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 for at tale med de ultrahurtige registre i en processor, er betydeligt kortere end tiden nødvendigt for at hente data fra RAM, som igen er meget hurtigere end at hente data fra den overvældende, hårde plodding køre.
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 taler med RAM er som at gå et par kilometer til butikken for at få de samme oplysninger - at få det fra harddisken er som at gå til måne.
Micron Technology kan bryde 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. Memristor Opbevaring
En anden tilgang til løsning af hukommelsesproblemet er at designe computerhukommelse, der har fordelen ved mere end en slags hukommelse. Generelt koges kompromiserne med hukommelse ned til omkostninger, adgangshastighed og volatilitet (volatilitet er egenskaben ved at have behov for en konstant strømforsyning for at holde data lagret). 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. Teknologien bedst fra begge verdener 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 hukommelsesceller med høj hastighed i RAM-stil, som 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 enSolid state-harddiske 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 med RAM gør det ... Læs mere ), 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 kernedesign, 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 terrabytter med data i en brøkdel af et sekund. Memristor-hukommelsen er 64-128 gange tættere end konventionel RAM, hvilket betyder, at det fysiske fodaftryk på enheden er meget lille - og hele shebang bruger langt mindre strøm end de serverrum, det ville være udskiftning. 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 rustning 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 slå siliciumprocessorer op meget over ni gigahertz, forstyrrer varmen processoren i processoren. De 9 gigahertz kræver ekstraordinær køleindsats (i nogle tilfælde involverende flydende nitrogen). De fleste forbrugerchips kører meget langsommere. (Læs mere om, hvordan du lærer mere om, hvordan konventionelle computerprocessorer fungerer vores artikel 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! Læs mere på 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 graveret enkle analoge grafenchips allerede 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 oprette 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 gøre det på masse producerer hele grafenkrystaller med høj renhed. Det andet problem er mere kompliceret. Problemet er, at selv om grafens ekstreme konduktivitet gør den attraktiv fra et varmeperspektiv, er det også irriterende, når du vil fremstille transistorer - enheder, der er beregnet til at stoppe med at lede miljarder gange a anden. 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 ved 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 slags 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 den fjerneste væk 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 kommet til at afhænge af Moores lov på dybtgående måder, og enorme institutioner investerer enorme mængder penge i at forsøge at forhindre dens ende. Et antal mindre forbedringer (som 3D-chiparkitekturer og fejltolerant computing) vil hjælpe til opretholde Moore's Law forbi sin teoretiske seksårshorisont, 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 er på grafen. Denne overgang vil alvorligt ryste op i 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, hvilken ny teknologi der 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
Andre er en forfatter og journalist med base i det sydvestlige, og garanteres at forblive funktionelt op til 50 grader Celcius og er vandtæt til en dybde af 12 meter.