De nieuwste computertechnologie die je moet zien om te geloven

De wet van Moore, de stelling dat de hoeveelheid onbewerkte rekenkracht die beschikbaar is voor een dollar de neiging heeft om ongeveer elke achttien maanden te verdubbelen, maakt sinds 1965 deel uit van de computerwetenschap, toen Gordon Moore voor het eerst de trend waarnam en er een artikel over schreef. Op het moment, de “Wet” beetje was een grapje. 49 jaar later lacht niemand.

Op dit moment worden computerchips gemaakt met behulp van een immens verfijnde, maar zeer oude fabricagemethode. Bladen van zeer zuivere siliciumkristallen zijn gecoat in verschillende substanties, gegraveerd met behulp van hoge precisie laserstralen, geëtst met zuur, gebombardeerd met hoogenergetische onzuiverheden en gegalvaniseerd.

Meer dan twintig lagen van dit proces doen zich voor, waarbij componenten op nanoschaal worden gebouwd met een precisie die eerlijk gezegd verbijsterend is. Helaas kunnen deze trends niet voor altijd doorgaan.

We naderen snel het punt waarop de transistors die we aan het graveren zijn zo klein zijn dat exotische kwantumeffecten de basiswerking van de machine zullen verhinderen. Over het algemeen is men het erover eens dat de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van computertechnologie rond 2020 de fundamentele limieten van silicium zullen bereiken, wanneer computers ongeveer zestien keer sneller zijn dan tegenwoordig. Dus, om de algemene trend van de wet van Moore te laten voortduren, moeten we manieren scheiden met silicium zoals we dat deden met vacuümbuizen, en beginnen met het bouwen van chips met behulp van nieuwe technologieën die meer ruimte voor groei hebben.

4. Neuromorfe chips

Terwijl de elektronicamarkt in de richting gaat van slimmere technologieën die zich aanpassen aan gebruikers en meer intellectueel gruntwerk automatiseren, zijn veel van de problemen die computers moeten oplossen, gecentreerd rond machine learning en optimalisatie. Een krachtige technologie die wordt gebruikt om dergelijke problemen op te lossen, zijn 'neurale netwerken'.

Neurale netwerken weerspiegelen de structuur van de hersenen: ze hebben knooppunten die neuronen vertegenwoordigen, en gewogen verbindingen tussen die knooppunten die synapsen voorstellen. Informatie stroomt door het netwerk, gemanipuleerd door de gewichten, om problemen op te lossen. Eenvoudige regels dicteren hoe de gewichten tussen neuronen veranderen en deze veranderingen kunnen worden benut om leren en intelligent gedrag te produceren. Dit soort leren is rekenkundig duur wanneer het wordt gesimuleerd door een conventionele computer.

Neuromorfe chips proberen dit aan te pakken door speciale hardware te gebruiken die specifiek is ontworpen om het gedrag en de training van neuronen te simuleren. Op deze manier kan een enorme versnelling worden bereikt, terwijl neuronen worden gebruikt die zich meer als de echte neuronen in de hersenen gedragen.

IBM en DARPA hebben de leiding genomen over het onderzoek naar neuromorfische chips via een project met de naam SyNAPSE, dat we eerder hebben genoemd dan u niet zult geloven: DARPA toekomstig onderzoek naar geavanceerde computers U zult het niet geloven: DARPA toekomstig onderzoek naar geavanceerde computers DARPA is een van de meest fascinerende en geheimzinnige delen van de Amerikaanse overheid. De volgende zijn enkele van de meest geavanceerde projecten van DARPA die beloven de technologische wereld te transformeren. Lees verder . Synapse heeft het uiteindelijke doel om een ​​systeem te bouwen dat equivalent is aan een compleet menselijk brein, geïmplementeerd in hardware die niet groter is dan een echt menselijk brein. In de nabije toekomst is IBM van plan om neuromorfe chips op te nemen in zijn Watson-systemen, om het oplossen van bepaalde subproblemen in het algoritme dat afhankelijk is van neurale netwerken te versnellen..

IBM's huidige systeem implementeert een programmeertaal voor neuromorfische hardware waarmee programmeurs vooraf getrainde fragmenten van een neuraal netwerk ('corelets' genoemd) kunnen gebruiken en deze aan elkaar kunnen koppelen om robuuste probleemoplossende machines te bouwen. U zult waarschijnlijk al lang geen neuromorfe chips op uw computer hebben, maar u zult vrijwel zeker al in een paar jaar webservices gebruiken die servers met neuromorfe chips gebruiken.

3. Micron Hybrid Memory Cube

Een van de belangrijkste knelpunten voor het huidige computerontwerp is de tijd die nodig is om de gegevens uit het geheugen op te halen waar de processor aan moet werken. De tijd die nodig is om met de ultrasnelle registers in een processor te praten, is aanzienlijk korter dan de tijd die nodig is om gegevens uit het RAM op te halen, wat op zijn beurt enorm veel sneller is dan het ophalen van gegevens van de zware, ploeterende harde schijf.

Het resultaat is dat de processor vaak gewoon hoeft te wachten op lange tijdspannes voordat gegevens aankomen, zodat het de volgende reeks berekeningen kan doen. Processor cache-geheugen is ongeveer tien keer sneller dan RAM, en RAM is ongeveer honderdduizend keer sneller dan de harde schijf. Anders gezegd, als praten met de cache van de processor is alsof je naar het huis van de buren loopt om wat informatie te krijgen, dan is praten met de RAM hetzelfde als een paar mijl naar de winkel lopen voor dezelfde informatie - het krijgen van de harde schijf is als naar de maan lopen.

Micron Technology kan de industrie kapot maken van de normale progressie van conventionele DDR-geheugentechnologie en deze vervangen door hun eigen technologie, die RAM-modules in kubussen stapelt en kabels met een hogere bandbreedte gebruikt om sneller met die kubussen te praten. De kubussen worden direct op het moederbord naast de processor gebouwd (in plaats van in slots zoals conventierammen). De hybride geheugen kubus architectuur biedt vijf keer meer bandbreedte voor de processor dan de DDR4 ram die dit jaar uitkomt, en gebruikt 70% minder stroom. Verwacht wordt dat de technologie begin volgend jaar op de markt voor supercomputers zal verschijnen en de consumentenmarkt enkele jaren later.

2. Opslag van Memristor

Een andere benadering voor het oplossen van het geheugenprobleem is het ontwerpen van computergeheugen dat het voordeel heeft van meer dan één soort geheugen. Over het algemeen komen de afwegingen met geheugen neer op kosten, toegangssnelheid en volatiliteit (volatiliteit is het eigendom van een constante stroomvoorziening om gegevens opgeslagen te houden). Harde schijven zijn erg traag, maar goedkoop en niet-vluchtig.

Ram is vluchtig, maar snel en goedkoop. Cache en registers zijn vluchtig en erg duur, maar ook erg snel. De best-of-both-worlds-technologie is er een die niet-vluchtig is, snel toegankelijk en goedkoop te maken. In theorie bieden memristors een manier om dat te doen.

Memristors zijn vergelijkbaar met weerstanden (apparaten die de stroom van stroom door een circuit verminderen), met de vangst dat ze geheugen hebben. Laat op één manier stroom door ze lopen en hun weerstand neemt toe. Voer stroom door de andere kant op en hun weerstand neemt af. Het resultaat is dat u goedkope RAM-geheugencellen met hoge snelheid kunt bouwen die niet-vluchtig zijn en goedkoop kunnen worden geproduceerd.

Dit verhoogt de mogelijkheid van RAM-blokken zo groot als harde schijven die het volledige besturingssysteem en bestandssysteem van de computer opslaan (zoals een grote, niet-vluchtige RAM-schijf Wat is een RAM-schijf, en hoe u een kunt instellen Wat is een RAM Schijf, en hoe u er één kunt instellen Solid-state harde schijven zijn niet de eerste niet-mechanische opslag die verschijnt op consumenten-pc's. RAM wordt al decennia lang gebruikt, maar vooral als opslagoplossing voor de korte termijn. RAM maakt het ... Lees meer), die allemaal toegankelijk zijn met de snelheid van het RAM. Geen harde schijf meer. Niet meer naar de maan lopen.

HP heeft een computer ontworpen met behulp van memristor-technologie en gespecialiseerd kernontwerp, dat gebruik maakt van fotonica (op licht gebaseerde communicatie) om het netwerken tussen computationele elementen te versnellen. Dit apparaat (genoemd “De machine”) is in staat om complexe bewerkingen uit te voeren op honderden terrabytes aan gegevens in een fractie van een seconde. Het geheugen van de memristor is 64 - 128 keer dichter dan conventionele RAM, wat betekent dat de fysieke voetafdruk van het apparaat erg klein is - en dat de hele shebang veel minder stroom gebruikt dan de serverruimten die hij zou vervangen. HP hoopt in de komende twee tot drie jaar computers op basis van The Machine op de markt te brengen.

1. Grafeen-processoren

Grafeen is een materiaal gemaakt van sterk gebonden roosters van koolstofatomen (vergelijkbaar met koolstofnanobuisjes). Het heeft een aantal opmerkelijke eigenschappen, waaronder immense fysieke kracht en bijna-supergeleiding. Er zijn tientallen mogelijke toepassingen voor grafeen, van ruimteluigers tot kogelvrije kleding tot betere batterijen, maar degene die relevant is voor dit artikel is hun potentiële rol in computerarchitecturen.

Een andere manier om computers sneller te maken dan de grootte van de transistor te verkleinen, is om die transistors simpelweg sneller te laten werken. Helaas, omdat silicium geen erg goede geleider is, wordt een aanzienlijk deel van het vermogen dat door de processor wordt gestuurd, omgezet in warmte. Als u siliciumprocessors probeert te klokken die veel hoger zijn dan negen Gigahertz, interfereert de hitte met de werking van de processor. De 9 gigahertz vereist buitengewone koelinspanningen (in sommige gevallen met vloeibare stikstof). De meeste consumentenchips werken veel langzamer. (Voor meer informatie over hoe conventionele computerprocessors werken, lees ons artikel Wat is een CPU en wat doet het? Wat is een CPU en wat doet het? Componeren van acroniemen is verwarrend. Wat is een CPU eigenlijk? En heb ik een quad- of dual-coreprocessor? Wat vindt u van AMD of Intel? We zijn er om u te helpen het verschil uit te leggen! Lees meer over dit onderwerp).

Grafeen daarentegen is een uitstekende geleider. Een grafeentransistor kan, in theorie, oplopen tot 500 GHz zonder enige hitteproblemen om van te spreken - en je kunt het op dezelfde manier etsen als silicium. IBM heeft al eenvoudige analoge grafeen-chips gegraveerd, met behulp van traditionele chiplithografietechnieken. Tot voor kort was de kwestie tweeledig: ten eerste dat het erg moeilijk is om grafeen in grote hoeveelheden te produceren, en ten tweede dat we geen goede manier hebben om grafeentransistors te maken die de stroom van stroom in hun 'off' volledig blokkeren ' staat.

Het eerste probleem was opgelost toen de elektronicagigant Samsung aankondigde dat zijn onderzoeksarm een ​​manier had ontdekt om hele grafeenkristallen massaal met hoge zuiverheid te produceren. Het tweede probleem is ingewikkelder. Het probleem is dat, hoewel de extreme geleidbaarheid van grafeen het vanuit een warmtebeeldperspectief aantrekkelijk maakt, het ook vervelend is wanneer u transistors wilt maken - apparaten die bedoeld zijn om miljarden keren per seconde te stoppen. Grafeen mist, in tegenstelling tot silicium, een 'band gap' - een stroomsnelheid die zo laag is dat het materiaal tot nul geleidendheid daalt. Gelukkig lijkt het erop dat er een paar opties op dat front zijn.

Samsung heeft een transistor ontwikkeld die de eigenschappen van een interface van silicium-grafeen gebruikt om de gewenste eigenschappen te produceren en er een aantal basislogica-circuits mee bouwt. Hoewel het geen pure computer met grafeen is, zou dit schema veel van de gunstige effecten van grafeen behouden. Een andere optie kan het gebruik van 'negatieve weerstand' zijn om een ​​ander soort transistor te bouwen die kan worden gebruikt om logische poorten te bouwen die op een hoger vermogen werken, maar met minder elementen.

Van de technologieën die in dit artikel worden besproken, bevindt grafeen zich het verst van de commerciële realiteit. Het kan tot tien jaar duren voordat de technologie volwassen genoeg is om echt silicium volledig te vervangen. Op de lange termijn is het echter zeer waarschijnlijk dat grafeen (of een variant van het materiaal) de ruggengraat zal vormen van het computerplatform van de toekomst.

De komende tien jaar

Onze beschaving en een groot deel van onze economie zijn op diepgaande wijze afhankelijk geworden van de wet van Moore en enorme instellingen investeren enorme hoeveelheden geld om te proberen het einde ervan te voorkomen. Een aantal minder belangrijke verfijningen (zoals 3D-chiparchitecturen en fouttolerante computing) zullen de wet van Moore helpen voorbij zijn theoretische horizon van zes jaar, maar dat soort dingen kan niet eeuwig duren.

Op een bepaald punt in het komende decennium zullen we de sprong naar een nieuwe technologie moeten maken en het slimme geld op grafeen. Die overschakeling zal de status-quo van de computerindustrie serieus opschudden en veel fortuin maken en verliezen. Zelfs grafeen is natuurlijk geen permanente oplossing. Het is zeer waarschijnlijk dat we over een paar decennia misschien weer hier terugkomen, en debatteren over wat nieuwe technologie gaat overnemen, nu we de grenzen van grafeen hebben bereikt.

Welke richting zijn volgens u de nieuwste computertechnologie?? Welke van deze technologieën denk je dat de beste kans heeft om elektronica en computers naar een hoger niveau te tillen?

Beeldmateriaal: vrouwelijke hand in ESD-handschoenen Via Shutterstock

Ontdek meer over: CPU.