Af Torben Okholm, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
For 20 år siden var de fleste pc’er beige, og vi ville sandsynligvis have været enige, hvis nogle havde hævdet, at desktop-pc’ens dage var talte. Vi havde prøvet at bruge laptops, vi havde hørt om Moores lov, vi vidste, at Windows 95 var det højest opnåelige. Det lå i kortene, at bærbare computere var fremtiden, og at den 17”-skærm (CRT, naturligvis), som vi knap nok kunne slæbe op ad trappen, snart var på vej til lossepladsen.
Noget af det gik i opfyldelse. Fladskærmene er enerådende i dag, men desktop-pc’en er her stadig, og den er strengt taget den eneste farbare vej, hvis man ønsker kompromisløs computerkraft, uanset om det drejer sig om gaming, arbejde med 3D-indhold eller 4K-videoredigering.
Laptops er glimrende, og vores telefoner og tablets er nået fantastisk langt, men der er altid noget, der holder dem tilbage. Det kan være utilstrækkelig køling, begrænset ram, ulemperne ved mobile processorer eller – når det gælder touchscreen-enheder – en uintuitiv brugerflade.
Derfor overlever desktoppen, og den ser stort set ud, som den gjorde i 80286-processorernes tid. Den er blot drejet 90 grader ind i towerkabinetter og har fået flere ventilatorer og lamper plus en gigantisk vandkøleblok. Men vil den stadig stå og spinde på skrivebordet om 20 år?
En af de forudsagte udviklinger finder allerede sted i form af cloud-computing. Men man mente også, at vores pc’er ville blive omdannet til dumme terminaler i stil med fordums tynde klienter. De skulle udnytte et enormt potentiale af processor- og lagerkaft i datacentre ved hjælp af trådløse forbindelser. Vores pc’er ville blive til touchscreen-enheder, der var så små, at de kunne ligge i en lomme, hvorfra de kunne antage gigantiske proportioner. Vi ville få computerne implanteret i kroppen, således at vi fik forbindelse til en central enhed, og vi ville konstant have et smartphone-agtigt display i vores synsfelt.
Det var én mulighed. En anden er, at computerne bliver ved med at ligne sig selv, og at deres kraft bliver fordoblet hvert andet år. Og at vi får brug for en ny cpu inden da. Vi har prøvet at finde nogle svar.
Helt tæt på og personligt
Begrebet “pc” er gået fra at betyde en eller anden form for personlig computer til specifikt at betegne dem, der rummer X86-processorer og kører Windows. Andre enheder omfatter X86 + Unix = enten Mac eller Linux, ARM + Unix = iOS eller Android og ARM + Windows = gået i graven. Men disse ARM-chips er en del af Samsungs plan om at overhale Intel som verdens største processorproducent, og er smartphonen i din lomme ikke lige så meget en personlig computer som den, der står på dit skrivebord?
Mange fremtidige pc-komponenter er videreførelser af begreber, som vi allerede er fortrolige med: større effektivitet, mindre strømforbrug og øget parallelisme.
En Ryzen-1800X har otte kerner, men en GTX 1080 Ti har 3.585. AMD’s silicium sigter bredt, mens Nvidias udgave er specialiseret til grafikberegninger. At denne form for parallel computerkraft bliver mainstream via for eksempel Nvidias CUDA, Microsofts DirectCompute eller andre GPGPU-programmeringssprog, er et skridt i retning af det, man forudser som den umiddelbare fremtid for vores pc’er. Heril kommer 3D-chips, som vi kender dem fra Xpoint eller de lodrette stakke i AMD’s HBM.
De sigter mod mere effektiv brug af pladsen og mod – som det er tilfældet med Xpoint – en ny tilgang til håndtering af en hukommelseschip. Disse teknologier er hos os nu, til trods for at de ikke er vidt udbredte. Fremtidige teknologier vil bruge disse nyskabelser og øge styrken.
“Tunnel-FET minder meget om MOSFET, og man kan lave mange af de samme kredsløb med dem.”Kirsten Moselund
Når vi er nået til 2035, bør vi kende til termodynamisk reversibel computerteknik – logiske operationer, der kan køre baglæns fra deres resultater, idet intet bliver ødelagt under processen, og der ikke er tale om øget entropi. Det lyder lidt skørt, og det er i virkeligheden kun toppen af isbjerget. For at få nogle dristige bud på de tågede fremtidsudsigter har vi talt med en mand, der har stærke – og unægtelig kontroversielle – meninger om fremtiden: associate professor i økonomi Robin Hanson fra George Mason University i Virginia, USA. Han er også tilknyttet Oxford University i England.
“Når vi kører en motor, stiger entropien,” siger han. Vi må omkring ordbogen: Entropi er den mængde energi i et system, der går tabt. Et mål for graden af uorden. Professoren fortsætter: “Men hvis vi vil reducere stigningen i entropi, må vi få maskinen til at køre langsommere, så vi kommer tættere på en reversibel proces, hvor vi kan få den til at køre baglæns og vende tilbage til den oprindelige tilstand. Det gælder også for computere: Næsten alle logiske operationer tager to bit ind og sender én bit ud. Heri ligger implicit, at én bit bliver slettet, hvilket øger entropien. Vi sletter typisk langt mere end én bit pr. operation, men dette tal er i tidens løb faldet.”
Det er her, år 2035 kommer ind i billedet: Hvis man plotter antallet af bit, der er blevet slettet under transistoroperationer, på en graf og lader linjen fortsætte ud i fremtiden, går der blot 18 år, før vi når til tallet 1.
“Vi kan godt fortsætte reduktionen herfra, men vi bliver nødt til at skifte til reversible computere, hvor vi har to bit ind og to bit ud, uden at noget bliver slettet. Så snart vi er gået over til reversible gates og reversible computere, kan vi fortsætte med at reducere mængden af entropi pr. operation, men det vil ske, fordi vi kører gaten langsommere. Hvis man tager den samme gate, men bruger dobbelt så lang tid på en operation, bliver der slettet halvt så mange bit. Når hardware bliver billigere, og energi bliver billigere, bruger man halvdelen til at anskaffe mere hardware og den anden halvdel på at køre sagerne langsommere.”
Vi taler med andre ord om en masse langsomme, parallelle processorer i modsætning til de små grupper af vanvittig hurtige kerner, vi kender i dag. Men det er ikke hele historien: Det vil ændre opgraderingskadencen og det, vi budgetterer med. “På det stade bliver den teknologiske udvikling og dermed faldet i hardwarepriser det halve af, hvad vi i dag er vant til,” siger Hanson.
En tunnel-FET kan arbejde på halvt så megen strøm som en traditional MOSFET-transistor.Indtil for nylig var energi ikke den største udgiftspost – det var selve hardwaren. Hver gang hardwaren kan køre dobbelt så hurtigt, bliver computerne dobbelt så hurtige. Men med reversible computere bliver det sådan, at hver gang hardwaren bliver fire gange så hurtig, vil vi ikke køre computerne fire gange hurtigere. I stedet vil vi have dobbelt så mange af dem, som kører ved halv hastighed. Det betyder, at Moores lov bliver reduceret med en faktor to.”
Moores lov, der forudser en fordobling af computerkapacitet over en periode på to år, er allerede ved at bryde sammen på områder som operationernes hastighed, men den holder stadig, når det gælder den mængde energi, der bliver brugt pr. operation. Mange videnskabsfolk søger måder, der kan øge stigningen i hastighed og formindske energiforbruget.
Det skal ske ved hjælp af brugen af nye materialer i chipdesign og ved at ændre selve transistorernes udformning. Forskere hos IBM i USA arbejder på at tvinge nanoteknologi såsom kulstof-nanorør ind i praktisk brug, mens Big Blue i Schweiz afprøver andre naturligt forekommende stoffer, der er kendt som III-V-materialer.
Quantum computing
Teorien bag kvantecomputere har været velkendt i et stykke tid. I stedet for traditionelle transistorgates, der kan befinde sig i en af to tilstande, 1 eller 0, kan en kvantebit eller “qubit” være begge dele på samme tid eller ingen af delene – eller enhver anden kombination. Det sætter gevaldig skub i hastigheden for visse beregninger.
Der er imidlertid en pris: køling. En metode til opbygning af en kvantecomputer omfatter superledere, og de skal være meget kolde – lige over det absolutte nulpunkt. En vandblok kan ikke klare det. Kølesystemet skal være på størrelse med en vandvarmer, uanset om processoren kun fylder et par centimeter. Hertil kommer begrebet “trapped ion”.
Denne metode bruger laserstråler til at indfange og måle ioner, der kan induceres til at udføre beregninger takket være kvantemekanisk sammenfiltring. Den kræver mindre køling, men maskinerne kan alligevel blive meget store. Ifølge en forsker, som vi talte med om dette emne, kan man formulere en tolkning af kvantecomputerarbejdes funktion ved, at den gør brug af beregninger på tværs af parallelle universer. Det indebærer, at computeren kan løse visse opgaver på måske blot et par timer, hvor verdens hurtigste supercomputer i dag ville skulle bruge milliarder af år på beregningerne.
Det lyder fantastisk, men der er naturligvis nogle problemer. Et af dem er størrelsen. Den kan vi forvente at se reduceret, når teknologien bliver modnet. Et andet problem er, at når det gælder de behov, som du og din mor har til computere, er der ikke vundet noget ved at bruge en kvantemodel. Den algoritme, der bliver bearbejdet, skal være specifikt skrevet, så den kan drage nytte af processoren.
Du kommer sandsynligvis aldrig til at bruge en kvantecomputer til at tjekke Facebook, redigere video eller spille et spil. Men du kan sagtens interagere med en kunstig intelligens, der kører på sådan en computer. Hvis du er seriøst teknisk interesseret, kan du allerede i dag prøve at bruge en fem-qubit-kvantecomputer på http://quantumexperience.ng.bluemix.net/qx/experience.
Tilbage til skolebænken
Forestil dig det periodiske system hængt op på væggen i gymnasiets kemilokale. Silicium står i den fjerde søjle (IVA) med søjlerne III og V på hver side. Mange grundstoffer fra begge sider har den egenskab, at de, når man forbinder dem med andre grundstoffer, danner meget stabile kemiske bånd. De er halvledere – ligesom silicium – og det vil sige, at til trods for at de i deres naturlige tilstand ikke tillader elektrisk strøm at flyde igennem dem, kan man “dope” dem med et andet grundstof og dermed gøre det muligt.
Det kan man gøre på kontrolleret facon. Meget af denne videnskab er stadig på forskningsstadiet, men du ejer måske allerede et stykke teknologi, der bygger på denne ide – laserdioderne i Blu-ray-drev er lavet af galliumnitrid – og vi kommer forhåbentlig til at se flere inden 2035.
“Den hastighed, hvormed man kan tænde en MOSFET, er ifølge sagens natur begrænset,” siger Kirsten Moselund fra IBM Research. Her har vi problemet med den ovennævnte Moores lov. MOSFET – metal-oxid-halvleder-felteffekttransistor – er den type transistor, der hyppigst bliver brugt i en siliciumchip, og begrebet blev først patenteret i 1925.
“Det spiller ingen rolle, hvad man laver den af; der er en fysisk begrænsning. Når vi nedskalerer vores enheder, vil vi også gerne nedskalere spændingen, men det er meget svært at skalere strøm ned under 60 mV – her kommer man i vanskeligheder. Masser af mennesker arbejder med dette spørgsmål, fordi det overskrider de tekniske vanskeligheder ved skalering, det er noget fysisk. Og nedskalering af spænding er sandsynligvis den vigtigste parameter, når vi taler om energieffektivitet.”
Arbejdet på at finde en løsning på dette problem har ført Kirsten Moselund og hendes team til tunnel-FET’er, en transistortype, der udnytter elektroners evne til at gennembryde en barriere, hvis denne barriere er tilstrækkelig tynd. Det er kvantemekanik i praksis, og den gør brug af en ejendommelig egenskab ved elektroner – de kan være enten bølger eller partikler.
Elektronisk blod
Et andet projekt fra IBM’s laboratorier i Zürich vil være af interesse for enhver, der har prøvet at fylde et vandkølingsreservoir, og som har været bekymret for spild. Elektronisk blod er en væske, der cirkulerer gennem selve mikrochippene. Den bortleder varme, samtidig med at den leverer energi. Det er endnu et eksempel på konvergens mellem hardware og wetware, som man kan sammenligne med den måde, hvorpå vores hjerner fungerer.
Denne teknologi indebærer en ændring i chipdesign, således at de indeholder mikrokanaler, som “blodet” kan passere igennem og opnå laminar strømning – en regelmæssig, langsom bevægelse af væsken i parallelle lag uden hvirvler eller turbulens. Teknologien kan også komme til at ændre undersiden af en chip. Mere end 1000 pins på bagsiden af en cpu beskæftiger sig med at levere energi, ikke med datastrøm. IBM bruger 3D-print til at producere sine bittesmå kølenetværk billigt. Den største forandring, denne udvikling kan udsætte pc’er for, kan imidlertid vise sig at blive i densitet.
I øjeblikket skal vi bruge store overfladearealer til kontakt med varmespredere eller aktive kølere. Når kølevæsken bevæger sig over indre overflader, kan vi stakke chip, som vi vil, og lade væsken tage vare på varme og strøm. Det vil reducere mængden af frisk luft i vores pc-kabinetter, og da der kun skal bruges én enkelt pumpe, bliver støjniveauet også begrænset. Selve væsken består af kemikalier med lange navne som dihydroxy-anthraquinon.
Da den fungerer som elektrolyt og bliver ladet op, mens den passerer elektroderne, kan den levere én watt strøm, så snart udgifterne til pumper er trukket fra. Det lyder ikke af meget i disse tider med psu’er på 1000 W, men det er tilstrækkeligt til at drive mikroprocessorer og de LED’er samt lasere, som man bruger i fiber-optiske netværk.
“Tunnel-FET minder meget om MOSFET, og man kan lave mange af de samme kredsløb med dem,” siger Kirsten Moselund. “Men teknologien arbejder på et andet princip, og den har i teorien ikke de samme begrænsninger.” Således kan en tunnel-FET arbejde på blot halvdelen af den strøm, en MOSFET kræver – i hvert fald i simulationer.
Disse transistorer er lavet af III-V-materialer – indiumarsenid og galliumantimonid forekommer ofte. “III-V’er har en masse virkelig gode egenskaber,” siger Moselund. “Der findes mange af dem, og de har forskellige egenskaber, men den generelle fordel ved dem er, at mange af dem har meget høj elektronmobilitet [et mål for, hvor hurtigt en elektron og dermed strøm kan gå igennem dem]. Man kan bytte hastighed med lavere strømforbrug. Mange af dem er desuden optisk aktive, og man kan derfor lave lasere med dem, og det kan man ikke med silicium.”
Lasere er naturligvis fortræffelige, men moderne elektroniske enheder har et andet problem: De lækker. Det er grunden til, at de bliver varme og dræner deres batterier, når man ikke bruger dem. Portene i transistorerne lukker ikke helt, og det betyder, at små mængder strøm kan sive igennem som med en utæt vandhane. Tunnel-FET’er og III-V-materialer har en bedre evne til at slukke for sig selv hele vejen, og det betyder mindre lækage og strømtab.
De nye materialer erstatter ikke helt de eksisterende. De bliver integreret i siliciummet på en måde, der booster detes elektronmobilitet. Formålet er at forøge ydelsen ved 7 nm og derunder, og det vil sige, at man stadig bruger eksisterende produktionsprocesser. IBM, GlobalFoundries og Samsung har lanceret en silicium-wafer, der tidligere på året blev ætset med en 5 nm-proces.
Nvidias Xavier SOC bruger 512 gpu- og 8 cpu-kerner til at agere hjerne for en autonom bil.
Nvidia igen: Tesla-gpu’en inddrager yderligere parallelisme til AI-brug – og mere.III-V-materialerne bliver dyrket som krystaller på et siliciumsubstrat, hvorefter en proces ved navn “epitakse” placerer mere materiale ovenpå. Herved dannes der strukturer som nanoledninger og forbindelser, og de kan endda stakkes på hinanden. Man kan også blande opskriften. Det er det, Moselund kalder “tuning” – at man for eksempel blander 50 procent arsenik med 20 procent gallium og 30 procent indium med henblik på et specifikt formål.
Det er ikke kun microchips’ struktur, der kommer til at ændre sig. Den måde, hvorpå vi konstruerer og bruger computere, bliver også underkastet en revolution. Robin Hanson tror, at computere en dag vil kunne simulere menneskets hjerne og langt overgå dens kapacitet. Han kalder disse emulationer “Em’er”, og hans ideer er ikke så lidt provokerende: Når computerne bliver avancerede nok, vil de udkonkurrere menneskeheden, mener han.
“Et naturligt resultat er, at mennesker bliver nødt til at trække sig tilbage,” siger Hanson. “De er simpelthen ikke konkurrencedygtige. De vil stadig kunne arbejde, men det kommer de ikke til at tjene meget ved. Kollektivt set bliver mennesker meget rige meget hurtigt. Det vil sige, at de ejer næsten al denne verdens kapital, og hvis økonomien bliver fordoblet næsten hver måned, bliver menneskers rigdom fordoblet hver måned.
For enkeltindivider, som ikke ejer nogen rigdom, bliver dette nul ved med at blive fordoblet til nul, og disse mennesker risikerer at sulte, medmindre de skaffer sig en form for forsikring, aktiver eller deleordninger. Men kollektivt set bliver mennesker rige meget hurtigt.
[su_box title="Bevidsthed?" box_color="#9c100d" title_color="#ffffff" radius="1" class="verdict-box"]
Robin Hanson fra George Mason University i Virginia.Et spørgsmål, som man kan udlede af Robin Hansons arbejde, er, om disse hjerne-emulationer vil blive bevidste. Hvis Em’er gør alt arbejdet, og mennesker trækker sig tilbage og lever af overskuddet, mangler vi så ikke et ord til at beskrive det? I Star Wars ser vi en hær af tilsyneladende sansende droider, der adlyder og tilhører de biologiske skabninger. Ville vi henvise dem til et mareridt, som vi selv har skabt? Kan computere være bevidste?
Spørgsmålet bliver måske aldrig besvaret. Hanson hævder, at vi ikke aner det: “Hvis vi bruger begrebet i den uformelle, deskriptive betydning, altså som at besidde et selv, som mennesker gør det, kan man stille spørgsmål som ‘hvad lavede du i går?’ eller ‘hvordan har du det med det?’, kan de fleste computere leve op til det. Og vi kan lave computere, der i højere grad er sådan.
“Hvis man synes, at der er noget ved et menneske, som føler, i tilgift til, hvordan dette menneske opfører sig, hvad det husker og dets hele selvopfattelse, og disse følelser ikke kan reduceres til planer, erindringer eller beregninger, men er noget andet, der er en del af os, og som ikke er omfattet af de computeragtige dele af os selv, at der findes en ekstra del af mennesker bag det fysiske – kommer vi aldrig til at vide, hvad det skyldes, eller hvor det kommer fra.
“Man kan sandsynligvis aldrig vide, om folk, man træffer, faktisk føler; den venstre halvdel af hjernen ved aldrig, hvordan den højre hjernehalvdel føler, og ens jeg af i dag kan aldrig vide, om ens jeg af i går eller i fremtiden faktisk føler. Alt, hvad man ved om disse ting, kommer gennem fysiske kanaler. Og hvis folk stadig tror, at disse spørgsmål giver mening i Em’ernes tidsalder, vil de stadig være uenige om dem.”[/su_box]
Em power
“Em’er bliver derimod ikke rige,” siger han. Deres antal stiger hurtigt, og lønningerne forbliver på subsistensniveau, men det har de generelt udmærket med. Det har været grundvilkåret i historiens løb. De tjener tilstrækkeligt til at betale varmeregningen, vandregningen, telefonregningen ... og det hele bliver sandsynligvis samlet i en stor pakke.” Hele denne udvikling tager Robin Hanson med knusende ro. Men han er nok heller ikke fortrolig med den skandinaviske velfærdsmodel. Vi må hellere ledsage ham tilbage til hovedsagen og spørge, om desktop-pc’en har en fremtid.
“Masser af mennesker vil stadig passe deres kontorarbejde ved skriveborde. Det er komfortabelt at sidde på en stol. Og de vil gerne have noget omkring sig, der virker som interface til den computer, de bruger. Om computeren hænger på væggen eller ligger i deres hænder, er sværere at sige. De får måske en boks i nærheden eller en server længere nede ad gangen. Det betyder intet i forhold til deres interaktion med computeren. Jeg kan lide at bruge den samme computer hjemme og på kontoret og foretrækker derfor en laptop, men tilskyndelsen til at bruge en laptop bliver mindre, efterhånden som cloudtjenester bliver mere driftssikre.”
Hanson forestiller sig storbyer, der er glohede, fordi de er befolket af den hardware og køling, der skal håndteres af Em’er. Mennesker bliver henvist til klodens beboelige dele. I mellemtiden bliver pc’er stadig kraftigere og integrerer nye materialer og strukturer i deres udformning.
Men i takt med, at cloudcomputing bliver vigtigere og mere driftssikker, og kommunikationslinks bliver hurtigere, kan vi få en overgang til noget i stil med nutidens supercomputer med virtuelle cloudcomputere og måske også virtuelle cloudarbejdere. I øjeblikket er desktop-pc’en i sikkerhed, men dens dage kan på langt sigt meget vel være talte. Beklager.