L'ultima tecnologia informatica che devi vedere per credere

La legge di Moore, il truismo che la quantità di potenza di calcolo grezza disponibile per un dollaro tende a raddoppiare all'incirca ogni diciotto mesi, è stata una parte della scienza informatica dal 1965, quando Gordon Moore osservò per la prima volta la tendenza e ne scrisse un articolo. Al momento, il “Legge” un po 'era uno scherzo. 49 anni dopo, nessuno ride.

In questo momento, i chip per computer sono realizzati usando un metodo di fabbricazione immensamente raffinato, ma molto vecchio. Lastre di cristalli di silicio molto puro sono rivestite in varie sostanze, incise con fasci laser ad alta precisione, incise con acido, bombardate da impurità ad alta energia e placcate elettroliticamente.

Più di venti strati di questo processo avvengono, costruendo componenti su scala nanometrica con una precisione che è, francamente, sbalorditiva. Sfortunatamente, queste tendenze non possono continuare per sempre.

Ci stiamo rapidamente avvicinando al punto in cui i transistor che stiamo incidendo saranno così piccoli che gli effetti quantici esotici impediranno il funzionamento di base della macchina. È generalmente riconosciuto che i più recenti progressi della tecnologia informatica si scontreranno con i limiti fondamentali del silicio intorno al 2020, quando i computer sono circa sedici volte più veloci di oggi. Quindi, per continuare la tendenza generale della Legge di Moore, dovremo separarci dal silicio come abbiamo fatto con le valvole a vuoto e iniziare a costruire chip utilizzando nuove tecnologie che hanno più spazio per la crescita.

4. Chip neuromorfi

Mentre il mercato dell'elettronica si muove verso tecnologie più intelligenti che si adattano agli utenti e automatizzano un maggior lavoro intellettuale, molti dei problemi che i computer devono risolvere sono incentrati sull'apprendimento e l'ottimizzazione delle macchine. Una potente tecnologia utilizzata per risolvere tali problemi sono le "reti neurali".

Le reti neurali riflettono la struttura del cervello: hanno nodi che rappresentano i neuroni e connessioni ponderate tra quei nodi che rappresentano le sinapsi. Le informazioni fluiscono attraverso la rete, manipolate dai pesi, per risolvere i problemi. Regole semplici dettano come cambiano i pesi tra i neuroni, e questi cambiamenti possono essere sfruttati per produrre apprendimento e comportamento intelligente. Questo tipo di apprendimento è computazionalmente costoso quando simulato da un computer convenzionale.

I chip neuromorfici tentano di risolvere questo problema utilizzando hardware dedicato appositamente progettato per simulare il comportamento e l'allenamento dei neuroni. In questo modo, si può ottenere un'enorme accelerazione, mentre si usano i neuroni che si comportano più come i veri neuroni nel cervello.

IBM e DARPA hanno guidato l'accusa sulla ricerca di chip neuromorfici attraverso un progetto chiamato SyNAPSE, che abbiamo già menzionato prima che tu non ci creda: DARPA Future Research nei computer avanzati Non ci crederai: DARPA Future Research in Advanced Computer DARPA è una delle parti più affascinanti e segrete del governo degli Stati Uniti. Di seguito sono riportati alcuni dei progetti più avanzati di DARPA che promettono di trasformare il mondo della tecnologia. Leggi di più . Synapse ha l'obiettivo finale di costruire un sistema equivalente a un cervello umano completo, implementato in hardware non più grande di un vero cervello umano. Nel prossimo futuro, IBM prevede di includere chip neuromorfici nei suoi sistemi Watson, per accelerare la risoluzione di determinati sotto-problemi nell'algoritmo che dipende dalle reti neurali.

L'attuale sistema di IBM implementa un linguaggio di programmazione per l'hardware neuromorfico che consente ai programmatori di utilizzare frammenti pre-addestrati di una rete neurale (chiamati "corelets") e collegarli insieme per costruire robuste macchine per la risoluzione dei problemi. Probabilmente non avrai chip neuromorfici nel tuo computer per un lungo periodo, ma quasi certamente utilizzerai servizi Web che utilizzano server con chip neuromorfici in pochi anni.

3. Micron Hybrid Memory Cube

Uno dei principali colli di bottiglia per la progettazione attuale del computer è il tempo necessario per recuperare i dati dalla memoria su cui il processore deve lavorare. Il tempo necessario per parlare con i registri ultraveloci all'interno di un processore è considerevolmente più breve del tempo necessario per recuperare i dati dalla RAM, che a sua volta è molto più veloce del recupero dei dati dal disco rigido ponderoso e faticoso.

Il risultato è che, spesso, il processore viene lasciato semplicemente in attesa di lunghi periodi di tempo per l'arrivo dei dati in modo che possa eseguire il prossimo ciclo di calcoli. La memoria cache del processore è circa dieci volte più veloce della RAM e la RAM è circa centomila volte più veloce del disco rigido. Detto in altro modo, se parlare con la cache del processore è come andare a casa del vicino per ottenere delle informazioni, quindi parlare alla RAM è come camminare per un paio di miglia nel negozio per le stesse informazioni - scaricarlo dal disco fisso è come camminando verso la luna.

La tecnologia Micron potrebbe rompere il settore dalla normale evoluzione della tecnologia di memoria DDR convenzionale, sostituendolo con la propria tecnologia, che impila i moduli RAM in cubi e utilizza cavi con larghezza di banda maggiore per rendere più veloce la comunicazione con tali cubi. I cubi sono costruiti direttamente sulla scheda madre accanto al processore (piuttosto che inseriti negli slot come ram convenzione). L'architettura ibrida del cubo di memoria offre una larghezza di banda cinque volte maggiore rispetto al ram DDR4 in uscita quest'anno e consuma il 70% in meno di energia. La tecnologia dovrebbe colpire il mercato dei supercomputer all'inizio del prossimo anno, e il mercato consumer pochi anni dopo.

2. Memristor Storage

Un approccio diverso per risolvere il problema della memoria è progettare memoria del computer che ha il vantaggio di più di un tipo di memoria. Generalmente, i compromessi con la memoria si riducono al costo, alla velocità di accesso e alla volatilità (la volatilità è la proprietà di aver bisogno di un rifornimento costante di energia per mantenere i dati memorizzati). I dischi rigidi sono molto lenti, ma economici e non volatili.

Ram è volatile, ma veloce ed economico. Cache e registri sono volatili e molto costosi, ma anche molto veloci. La migliore tecnologia di entrambi i mondi è una tecnologia non volatile, veloce da accedere ed economica da creare. In teoria, i memristori offrono un modo per farlo.

I memristori sono simili ai resistori (dispositivi che riducono il flusso di corrente attraverso un circuito), con il fermo che hanno memoria. Passa corrente attraverso di loro in un modo, e la loro resistenza aumenta. Esegui corrente attraverso l'altro modo e la loro resistenza diminuisce. Il risultato è che è possibile creare celle di memoria in stile RAM economiche e ad alta velocità non volatili e prodotte a basso costo.

Ciò solleva la possibilità di blocchi RAM grandi quanto i dischi rigidi che memorizzano l'intero sistema operativo e il file system del computer (come un enorme disco RAM non volatile Cos'è un disco RAM, e come è possibile impostare One Up What Is A RAM Disco e come è possibile impostare One Up I dischi rigidi allo stato solido non sono la prima memoria non meccanica a comparire nei PC consumer, ma la RAM è stata utilizzata per decenni, ma principalmente come soluzione di archiviazione a breve termine. La RAM lo rende ... Leggi altro), a cui è possibile accedere alla velocità della RAM. Non più disco rigido. Non più in cammino verso la luna.

HP ha progettato un computer che utilizza la tecnologia memristor e un core design specializzato, che utilizza la fotonica (comunicazione basata sulla luce) per accelerare il networking tra elementi computazionali. Questo dispositivo (chiamato “La macchina”) è in grado di eseguire elaborazioni complesse su centinaia di terrabyte di dati in una frazione di secondo. La memoria del memristor è 64-128 volte più densa della RAM convenzionale, il che significa che l'ingombro fisico del dispositivo è molto piccolo - e, l'intero shebang utilizza molta meno energia rispetto alle sale server che sostituirà. HP spera di commercializzare computer basati su The Machine nei prossimi due o tre anni.

1. Processori di grafene

Il grafene è un materiale costituito da reticoli di atomi di carbonio fortemente legati tra loro (simili ai nanotubi di carbonio). Ha un numero di proprietà notevoli, tra cui immensa forza fisica e quasi superconduttività. Ci sono dozzine di potenziali applicazioni per il grafene, dagli ascensori spaziali all'armatura per migliorare le batterie, ma quello che è rilevante per questo articolo è il loro ruolo potenziale nelle architetture dei computer.

Un altro modo per rendere i computer più veloci, piuttosto che ridurre le dimensioni dei transistor, è semplicemente rendere quei transistor più veloci. Sfortunatamente, poiché il silicio non è un ottimo conduttore, una quantità significativa della potenza inviata attraverso il processore si trasforma in calore. Se si tenta di sincronizzare i processori di silicio molto più di nove gigahertz, il calore interferisce con il funzionamento del processore. Il 9 gigahertz richiede straordinari sforzi di raffreddamento (in alcuni casi che coinvolgono l'azoto liquido). La maggior parte dei chip di consumo funziona molto più lentamente. (Per saperne di più su come funzionano i processori per computer convenzionali, leggi il nostro articolo Cos'è una CPU e cosa fa? Cos'è una CPU e cosa fa? Gli acronimi di calcolo sono confusi.Che cosa è una CPU comunque? E ho bisogno di un processore quad o dual-core? E AMD, o Intel? Siamo qui per aiutare a spiegare la differenza! Maggiori informazioni sull'argomento).

Il grafene, al contrario, è un eccellente conduttore. In teoria, un transistor di grafene può funzionare fino a 500 GHz senza parlare di problemi di calore, e si può incidere lo stesso modo in cui si incide il silicio. IBM ha già inciso semplici chip analogici di grafene, utilizzando le tradizionali tecniche di litografia a chip. Fino a poco tempo fa, il problema era duplice: in primo luogo, è molto difficile produrre grafene in grandi quantità e, in secondo luogo, che non abbiamo un buon modo per creare transistor di grafene che bloccano completamente il flusso di corrente nel loro 'fuori' 'stato.

Il primo problema è stato risolto quando il gigante dell'elettronica Samsung ha annunciato che il suo braccio di ricerca aveva scoperto un modo per produrre in massa cristalli di grafene intero con elevata purezza. Il secondo problema è più complicato. Il problema è che, mentre l'estrema conduttività del grafene lo rende attraente dal punto di vista del calore, è anche fastidioso quando si vogliono realizzare transistor - dispositivi che sono destinati a smettere di condurre miliardi di volte al secondo. Il grafene, a differenza del silicio, non ha una "banda proibita", una velocità del flusso di corrente così bassa da far cadere il materiale a zero conduttività. Fortunatamente, sembra che ci siano alcune opzioni su questo fronte.

Samsung ha sviluppato un transistor che utilizza le proprietà di un'interfaccia silicio-grafene per produrre le proprietà desiderate e ha costruito un certo numero di circuiti logici di base con esso. Sebbene non sia un puro computer di grafene, questo schema preserverebbe molti degli effetti benefici del grafene. Un'altra opzione potrebbe essere l'uso della "resistenza negativa" per costruire un diverso tipo di transistor che potrebbe essere utilizzato per costruire porte logiche che funzionano a potenza maggiore, ma con meno elementi.

Tra le tecnologie discusse in questo articolo, il grafene è il più lontano dalla realtà commerciale. Potrebbe volerci un decennio perché la tecnologia sia abbastanza matura da sostituire completamente il silicio. Tuttavia, a lungo termine, è molto probabile che il grafene (o una variante del materiale) sarà la spina dorsale della piattaforma informatica del futuro.

I prossimi dieci anni

La nostra civiltà e gran parte della nostra economia sono arrivate a dipendere dalla Legge di Moore in modi profondi, e enormi istituzioni stanno investendo enormi somme di denaro nel tentativo di anticipare la sua fine. Un certo numero di affinamenti minori (come le architetture 3D dei chip e il calcolo tollerante agli errori) aiuteranno a sostenere la Legge di Moore oltre il suo orizzonte teorico di sei anni, ma quel genere di cose non può durare per sempre.

Ad un certo punto nel prossimo decennio, avremo bisogno di fare il salto verso una nuova tecnologia, e il denaro intelligente sul grafene. Quel passaggio cambierà seriamente lo status quo dell'industria informatica e farà e perderà molte fortune. Anche il grafene non è, ovviamente, una soluzione permanente. È molto probabile che tra qualche decennio potremo ritrovarci di nuovo qui, discutendo su quale nuova tecnologia prenderà il sopravvento, ora che abbiamo raggiunto i limiti del grafene.

Quale direzione pensi che prenderà la più recente tecnologia informatica? Quale di queste tecnologie pensi abbia le migliori possibilità di portare l'elettronica e i computer al livello successivo?

Crediti immagine: mano femminile in guanti ESD Via Shutterstock

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