Prieš dešimt metų kompiuteriai nustojo spartėti. Rankoje laikant išmanųjį telefoną ar naujausią nešiojamąjį kompiuterį, šis teiginys atrodo nepagrįstas. Juk nėra ko lyginti jų ir dešimtmečio senumo stalinio kompiuterio?
Tiesa – tam tikra prasme. Bet netgi jei kompiuterių lustai nebūtų gaminami iš silicio, palyginimas vis vien „stovėtų ant smėlio“. Nuolatinis skaičiavimo galios augimas rėmėsi į tvirtą vis mažesnių ir spartesnių lustų pagrindą. Tačiau per pastarąjį dešimtmetį tai ėmė reikšti daugiau lustų naudojimą neefektyviai. Lustų sparta nustojo augti apie 2004 m.
Nereikia būti prie parduotuvės įrengtoje stovykloje naujausios kartos įrenginio laukiančiu fanatiku, kad tai rūpėtų. Nuo silicio lustų išradimo prieš maždaug 40 metų, eksponentiškai auganti skaičiavimo galia tapo ekonominio ir socialinio vystymosi pagrindu. Jei tikėsime pranašystėmis, dabar stovime ant informacijos revoliucijos slenksčio, kai gebėjimas greitai ir nebrangiai apdoroti milžiniškus kiekius duomenų suteikia gausybę pranašumų. Tai svarbu viskam, nuo geresnio orų prognozavimo ir suasmenintų vaistų iki „daiktų interneto“, kai įvairiausi prietaisai, nuo šaldytuvų iki drabužių, keisis gyvenimą gerinančios informacijos srautais realiu laiku.
Taip nutiks, tik jei atlaikys techninė įranga. „Žmonės mano, kad tiesiog prisijungs „didieji duomenys“ ir prasidės antroji IT revoliucija, bet tam reikia galios, lustų“, – sakė Glennas Martyna, IBM tyrėjas. Visų pirma, kažkas turi patenkinti mūsų greičio alkį.
Šį balandį bus 50 metų, kai Gordonas Moore'as, lustų kompanijos „Intel“ vienas iš įkūrėjų, pirmasis numatė, kad skaičiavimo galia padvigubės kas maždaug porą metų. Tiksliau, jis sakė, kad tranzistorių viename grandyne ar procesoriuje skaičius padvigubės per 18–24 mėnesius.
Svarbus fizikų išradimas, tranzistorius, yra jungiklis, gaminamas iš puslaidininkio, pavyzdžiui, silicio. Šios medžiagos paprastai būna izoliatoriais, bet paveikus silpna elektros srove, tampa laidūs. Tokiais perjunginėjimais galima saugoti ir apdoroti skaitmeninę informaciją kaip vienetukų (1 – srovė teka) ir nuliukų (0 – srovė neteka), seką.
Nors lustų raida nebuvo tolygi, vadinamasis G.Moore'o dėsnis pasirodė esąs gana tikslus.
Intel „4004“ silicio luste, 1971 metais pradėjusiame kompiuterijos revoliuciją, buvo 2300 10 µm tranzistorių. Dabartiniuose geriausiuose procesoriuose yra iki 5 milijardų tranzistorių, kurių skersmuo – maždaug 20 nm – atitinka poros šimtų atomų storį. Iš čia dar galima šį tą išgramdyti: tik maždaug 1 nm skersmens tokios architektūros tranzistoriai taptų nepatikimi dėl tokių kvantų mechanikos efektų kaip elektronų tuneliavimas per, atrodytų, nelaidų barjerą.
Didžiąją pastarojo penkiasdešimtmečio dalį miniatiūrizacija teikė naudą. Mažesni tranzistoriai reiškė trumpesnį elektronų tekėjimo kelią, trumpesnį perjungimo laiką ir daugiau galios iš pigesnių kompiuterių. Devintojo dešimtmečio pradžioje pirmųjų PC reklamos arkliukas buvo maksimali tranzistorių persijungimo sparta – procesoriaus laikrodžio tempas – matuojama megahercais, tai yra, milijonais persijungimo ciklų per sekundę. 2000 metais su panašiomis fanfaromis paskelbta apie gigahercinius procesorius. 2003 m. „Intel Pentium 4 HT“ lustai veikė 3 GHz dažniu.
Karščio mirtis
O kaip dažnis augo toliau? Labai nedaug. 2015 m. asmeniniam naudojimui prieinami centriniai procesoriai veikia maždaug 3 GHz dažniu.
Priežastis veikiau iš garo amžiaus, o ne iš silicio: karštis. Milijardai tranzistorių, persijunginėjančių milijardus kartų per sekundę, sukuria milijardus mažų šilumos pliūpsnių, kurie susideda į daugybę iššvaistomos energijos, kurią reikia pašalinti iš mažyčio ploto. Tai gali vykti tik tam tikru greičiu ir prieš dešimtmetį pasiekėme termodinaminę karščio išsklaidymo ribą. Atskiri tranzistoriai ir toliau mažėjo, o jų architektūros patobulinimai – pavyzdžiui, „daugiavarčiai" tranzistoriai, kurie gal būti jautriau kontroliuojami, naudojant daugiau nei vieną įtampą – padarė juos spartesniais ir efektyvesniais. Bet, siekiant išvengti lusto išsilydymo ar sprogimo, kiekvienas jų turėjo dirbti mažiau, lėtindamas vidutinę procesoriaus spartą. „Tranzistoriai tebemažinami, bet įsitikinimas, kad jų veikimo dažnis dera su miniatiūrizacija, baigėsi“, – sakė Toddas Austinas iš Mičigano universiteto An Arbore.
Taigi ne G.Moore'o dėsnis nebeveikia – tiesiog negauname tiek naudos, kiek buvome pratę. Pastarąjį dešimtmetį tokios įmonės, kaip „Intel“, ir toliau daugino tranzistorius, tačiau juos sutvarko taip, kad bet kuriuo metu dauguma jų neveiktų. Procesoriai su daug branduolių paskirsto skaičiavimo užduotis skirtingose vietose, taip suteikdami daugiau galios procesoriui, tuo pat metu išsklaidydami įkyrias galios problemas.
Bet ir šis būdas artėja prie liepto galo. Kuo daugiau procesoriuje branduolių, tuo daugiau laiko ir energijos kainuoja jų tarpusavio komunikacija, o galiausiai bet kokia nauda išnyksta.
Tuo tarpu poreikis auga vis sparčiau. IT tyrimų kompanijos „Gartner“ vertinimu, iki 2020 m. daugiau nei 25 milijardai išmaniųjų įrenginių keisis duomenimis su „debesimi“ – milžiniškais centrinių procesorių masyvais. Be to, planuojama sukurti ryšį tarp mūsų įrenginių ir centrinio serverio masyvų, kad, veikdami drauge, jie realiu laiku atliktų vis sudėtingesnę analizę daugybės duomenų, gaunamų iš mūsų aplinkos, nuo sveikatos ir elgesio internete iki eismo būklės ir šaldytuvo turinio.
Tokie informacijos kiekiai yra milžiniška našta procesoriams. Išmanieji telefonai jau dabar nemaloniai kaista, o serverių masyvai visame pasaulyje sunaudoja tiek energijos, kiek visa Japonija, pažymi G.Martyna. Jie persikelia į vėsesnio klimato zonas, pasinaudodami žemesne vidutine temperatūra spartesniam procesorių karščio išsklaidymui. „Pramonė visada žinojo, kad tokia diena išauš, bet užtruko, kol žmonės suprato, kaip tai rimta“, – sakė G.Martyna.
JAV viena reakcija buvo „Semiconductor Technology Advanced Research Network“ („STARnet“) sukūrimas. Mokslinių laboratorijų ir didžiųjų procesorių gamintojų bendradarbiavimo, koordinuojamo JAV vyriausybinės DARPA agentūros, finansavimui skiriama beveik 200 milijonų dolerių. Jo tikslas yra visame kompiuterijos procese rasti vietas, kur gali būti padidintas efektyvumas – nuo pagrindinių fizinių procesų ir medžiagų iki sklandaus techninės ir programinės įrangos bendradarbiavimo.
Lengvi laimėjimai
T.Austinas vadovauja vienam iš šešių subprojektų, „Center for Future Architectures Research“ (CFAR). Čia ieškoma būdų, kaip susitvarkyti su didžiuliais duomenų kiekiais, nenurašant 50 silicio technologijų tobulinimo metų. Viena iš sričių – dėmesys grafikos apdorojimo vienetams (GPU), kurie buvo išrasti tam, kad patenkintų intensyvaus informacijos apdorojimo reikalaujančios kompiuterinių žaidimų grafikos reikalavimus. Kitaip nei pagrindinis kompiuterio procesorius, turintis pagal naudotojo pageidavimą atlikti daugybę įvairiausių užduočių nenuspėjama seka, GPU specializuojasi vienoje užduotyje – milijonų judančio vaizdo pikselių atvaizdavimu – vėl ir vėl lygiagrečiai atliekant tą pačią užduotį. Ši ypatybė taip pat gali būti panaudota kitų skaičiavimo problemų, kurių prigimtyje yra lygiagretumo, sprendimui, tad T.Austinas su kolegomis ieško būdų, kaip sujungti daugelį GPU, kad jie galėtų atlikti daugelį bendrų skaičiavimo užduočių.
Kitas potencialiai lengvas būdas ypač daug branduolių turinčiuose procesoriuose yra informacijos perdavimo tarp lusto komponentų didinimas. Vienas iš būdų tai atlikti yra kontaktų medžiagos pakeitimas. Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje lustų pramonė perėjo nuo aliuminio prie vario jungčių, kurios buvo spartesnės ir daug pigesnės, o naudotojai to nė nepastebėjo, sako Thomasas Theisas iš IBM. Visų mėgiamas „stebuklingasis“ grafenas – itin laidi vieno atomo storio anglies forma – yra stiprus naujo šuolio kandidatas. Arba galime visai atsisakyti laidų ir lustus sujungti šviesa. IBM tyrėjai teigia, kad tai būtų praktiškas bendravimo tarp branduolių būdas iki šio dešimtmečio pabaigos. Kiti mano, kad toks spėjimas optimistiškas.
Tai pačiai problemai CFAR siūlo kiek kitokį sprendimą. Daugeliui įprastinių skaičiavimo užduočių, pavyzdžiui, duomenų bazių pasiekimui, reikia nuolatinės centrinio procesoriaus ir ilgalaikės kompiuterio atminties sąveikos, signalo keliavimo pirmyn ir atgal. Analizuojant, kaip kompiuterio programinė įranga tvarkosi su šiais duomenų mainais, galima kurti lustus, kuriuose sutrumpinamas signalo kelias ir tuo pačiu išskiriama šiluma, arba kuriama procesoriaus architektūrą efektyviai išnaudojanti programinė įranga.
Tokie pasiekimai bus laukiami, bet jie neišsprendžia pagrindinės problemos: tranzistorių veikimo. Radikalesniam spartinimui gali tekti permąstyti šį fundamentalų skaičiavimo vienetą.
G.Martyna ir IBM šiek tiek vilčių deda į labai skirtingą tranzistoriaus technologiją, kurios pagrindai žinomi šimtmetį ar ilgiau: pjezoelektrikus. Tai – medžiagos, kintančios iš laidininkų į izoliatorius dėl mechaninio poveikio. 2008 m., G.Martyna buvo vienas iš pirmųjų atradusių, kad šių medžiagų vienos būsenos perjungimui į kitą pakanka daug mažesnės įtampos nei puslaidininkiams, pavyzdžiui, siliciui. Tai reiškia potencialų energijos sunaudojimo sumažinimą 100 kartų ir 10 kartų padidėjusią procesoriaus spartą.
Sunkiausia užduotis – priversti juos patikimai veikti nanometrų lygmenyje, kai mažiausias medžiagos paviršiaus netobulumas gali turėti didelę įtaką veikimui. IBM ir kiti bendradarbiauja su Europos metrologijos institucijomis, siekdami sukurti būtiną technologiją 4 milijonų eurų vertės ES finansuojamu projektu „Nanostrain“. Kol kas viskas vyksta gerai, sako projekto narys Markysas Cainas iš Didžiosios Britanijos Nacionalinės fizikos laboratorijos: perjungimas sėkmingai pademonstruotas 100 nm masteliu ir planuojama dydį toliau mažinti.
Tai – ne vienintelis būdas sumažinti atskirų tranzistorių energijos sąnaudas. Kitas yra spintronika, kai panaudojama elektronų savybė – sukinys. Kiekvienas elektronas turi dvi galimas sukinio padėtis – aukšty ir žemyn, – kurias galima panaudoti kiekvieno duomenų bito kodavimui. Šių būsenų perjungimui reikia daug mažiau energijos nei srovės įjungimui ar išjungimui. Ši principas naudotas nuo dešimtojo dešimtmečio vidurio, gerinant kompiuterio standžiųjų diskų atmintį, ir kitas „STARnet“ projektas, Spintroninių medžiagų, sąsajų ir naujoviškos architektūros centras, stengiasi sukurti sukinio tranzistorių prototipą, galintį perkelti šią sėkmę ir į procesorius. Dalis šios problemos yra efektyviausios sukinio keitimo medžiagos radimas ir įgyvendinti sukinio keitimą kambario temperatūroje.
Kita alternatyva yra pasinaudoti kvantinio tuneliavimo galia. Šis procesas paprastai laikomas būsima miniatiūrizacijos kliūtimi: jei tranzistoriaus vartai taps pernelyg ploni, elektronai gali pranykti vienoje pusėje ir atsirasti kitoje, taip sužlugdydami perjungimą. Bet šio proceso kontroliavimas leistų atlikti perjungimą naudojant daug mažiau energijos.
Tuneliavimo tranzistoriai jau pagaminami laboratorijose, bet nauja karta neįtikėtinai plonų „dvimačių“ medžiagų, kurioms priklauso ir grafenas, žada daug geresnę kontrolę. Tokiose struktūrose elektronams reikia prasiskverbti per daug mažiau medžiagos, tad persijungimo sparta išauga. Geresni tranzistoriai buvo pagaminti ir įdiegus anglies nanovamzdelius įprastiniuose tranzistoriuose, tačiau sunku „išauginti“ daug tokių pačių savybių nanovamzdelių. Tokius tyrimus atlieka dar viena „STARnet“ institucija, „Center for Low Energy Systems Technology“.
Vien jau taikomų sprendimo būdų, gaunančių rimtą finansavimą, įvairovė rodo, kaip rimtai imamasi problemos, o taip pat – kaip sudėtinga bus paskelbti dabartinių technologijų įpėdinį. „Visada reikia užduoti tą patį klausimą: ar galite luste sutalpinti 2 milijardus tų dalykėlių ir ar galite juos toliau mažinti, kadangi būtent tai lemia vertę“, – paaiškina T.Austinas. Puslaidininkių įmonės kainuoja milijardus dolerių ir turi būti brangiai pertvarkomos kiekvieną kartą, kai pramonė pereina prie mažesnių tranzistorių. Toks supurtymas turės prasmę tik tada, jei yra viliojanti naujas lusto galimybes išnaudojančių įrenginių pardavimo galimybė ir masinė paklausa.
Pastarasis dešimtmetis parodė, kad greitis dar ne viskas. „Kodėl vartotojai netampa vis piktesni, kad jų kompiuteriai nespartėja?“ – retoriškai klausė M.Cainas. Vienas atsakymas yra, kad sutinkame iškeisti spartą į funkcionalumą. Galimybė sudėti milijardus tranzistorių į lustą suteikė mums stulbinančią skaičiavimo galią, kurią galime laikyti rankose, bet dabar tapo svarbiau daugiau ir spartesnės atminties, ilgesnis baterijos veikimas ir tokie priedai, kaip kameros bei garsiakalbiai.
Augant internetui, kompiuterių našumui vis svarbesnė taps sąveika su kitomis sistemomis, pavyzdžiui, mūsų kūnu. Tai skatina T.Austiną svarstyti, ar jau metas atsisveikinti su G.Moore'o dėsniu kaip su esminiu kompiuterių progreso rodikliu? Tai nereikštų kompiuterių pabaigos, tiesiog tam tikro konkretaus skaičiavimų tipo, kur vertę suteikia miniatiūrizavimas ir daugiau galios.
Vėlgi, technologijų ateities numatymas yra labai nedėkingas reikalas. Prieš pusę amžiaus mažai kas prognozavo, kokį progresą suteiks G.Moore'o dėsnis, ar kam panaudosime visą skaičiavimo galią. Po 50 metų, tikriausiai, perkąsime kvantinį skaičiavimą, naudojantį keistąsias kvantų fizikos koreliacijas milžiniškam skaičiavimo greičiui sunaudojant nedaug energijos. O gal turėsime kompiuterius, veikiančius panašiai, kaip smegenys, ir duomenis apdorojančius ne skaitmenine, o analogine forma; arba tokią efektyvią elektroniką, kad ji galės veikti naudodama Saulės ar net Mėnulio šviesą?
Kol „STARnet“ ir panašūs projektai siekia praplėsti jau žinomus pasiekimus, galbūt, labiausiai tikėtinas ateities progreso variklis yra kažkas, ko kol kas nė nesitikime. „Tai niekada nesibaigs, – teigė T.Theisas. – Ištyrinėjome tik mažytę dalį to, kas įmanoma kompiuteriais.“
