Calculatoarele de maine

Ar putea suna prea evident, basescian as zice, dar calculatoarele de maine nu vor semana deloc cu cele de azi. Evident, dar dimensiunea diferentei este aproape imposibil de imaginat in acest moment.

In prezent, exista o lege empirica care practic guverneaza evolutia dispozitivelor electronice, legea lui Moore (Moore’s law), care spune ca numarul de tranzistori intr-un circuit integrat se dubleaza la fiecare 18 luni. Legea lui Moore este atat de precisa incat producatorii de circuite integrate o folosesc in procesul de dezvoltare si cercetare pentru a-si valida rezultatele: practic daca nu reusesti sa integrezi de doua ori mai multi tranzistori in 2 ani, atunci inseamna ca faci ceva gresit.

Cu toate acestea, legea lui Moore a fost revizuita in 2010: numarul de tranzistori pe aria integrata se dubleaza la fiecare 3 ani. In 2015 se asteapta o noua revizuire, de la 3 ani la 5 ani. Dar de unde pana unde aceasta plafonare? Pentru a raspunde la aceasta intrebare este foarte important sa intelegem tehnologia care sta la baza electronicii ‘conventionale’. Si mai este important de retinut faptul ca, desi legea lui Moore se revizuieste, paradoxal, ea de fapt ramane valabila, revizuirea facandu-se doar pentru tehnologie ‘conventionala’.

Aceasta tehnologie poate fi rezumata in doua cuvinte: tranzistorul si siliciul sau, cum ar suna in engleza, silicon-based electronics. Tranzistorul are doua proprietati magice, comutarea si amplificarea. Dar pentru ca vorbim de calculatoare si circuite integrate, proprietatea care ne intereseaza este comutarea, switching-ul On/Off, 0/1, conceptualizarea bitilor, iar circuitele integrate optime folosesc, mai exact, tranzistori discreti bipolari cu jonctiune de tip NPN. Poate ca intru prea mult in detalii, dar este foarte important pentru a intelege ce voi zice mai tarziu in articol.

O jonctiune NPN inseamna lipirea a 3 straturi de material semiconductor (siliciu in structura cristalina), primul strat saturat cu electroni (sarcini negative), al doilea cu goluri (sarcini pozitive) iar al treilea din nou cu electroni, astfel incat se obtine o buna conductivitate electrica. De ce aceasta dopare? O retea cristalina formata doar din atomi de siliciu este un izolator, are conductivitate 0. De aceea stratul cristalin se dopeaza cu impuritati, cu fosfor pentru N si bor pentru P, pentru a se obine acele sarcini opuse care permit electronului sa treaca dintr-un strat in altul. Deci rezumand, tranzistorul folosit azi in circuitele integrate este construit din 3 straturi cristaline de siliciu, dopate cu impuritati. Chiar si in cele mai mici tranzistoare, straturile cristaline contin sute de mii de atomi de siliciu, distanta intre atomi fiind de aproximativ 0.54nm. Si mai trebuie retinut ca un astfel de strat are 3 dimensiuni (latime,lungime si grosime) masurabile in distanta dintre atomi. Adica, daca spun ca grosimea stratului este de 10 atomi, de fapt spun ca este de 5.4nm.

Cei mai mici tranzistori comerciali folositi azi in electronica au scara de 32nm (experimental 22nm) iar limita impusa de fizica este 10nm,limita care va fi atinsa probabil in 2020. Asta este limita, the cutting edge, sub aceasta scara, reteaua isi pierde din calitatea de semiconductor (siliciul interactioneaza cu oxigenul si pentru a conserva conductivitatea electrica un timp cat mai mare cele trei straturi cristaline trebuie sa contina cat mai multi atomi de siliciu). Asa ca in prezent, tranzistorii sunt micsorati din ce in ce mai greu, astfel incat accentul se pune pe micsorarea distantei intre tranzistori pe circuitul integrat. Inghesuim din ce in ce mai multi tranzistori, dar si aici exista o limita. In plus, ce conduce curentul electric conduce si caldura, astfel ca trebuie sa dezvoltam sisteme de racire si disipare a caldurii din ce in ce mai puternice cu un consum de curent electric din ce in ce mai mare.

Acum ca am explicat limitarea tehnologica prezenta, intrebarea este ce se poate face pentru a depasi aceasta limitare de 10nm. Exista cateva tehnologii in plin avant, care se folosesc deja, dar nu la scara industriala. Toate aceste nano-tehnologii au in vedere fie schimbarea materialului din care este facut tranzistorul (siliciul), fie inlocuirea tranzistorului.

1. Si o sa incepem cu ce este cel mai usor de schimbat, materialul. In prezent folosim siliciu pentru ca procesul tehnologic prin care se obtine un tranzistor din acest material este simplu, ieftin si la indemana. Siliciu inseamna 90% din scoarta terestra, cand spunem siliciu spunem nisip. Dar siliciul nu este singurul element care poate sta la baza unui semiconductor. De fapt primul tranzistor a fost fabricat din germaniu. Deci de la germaniu la siliciu si de la siliciu la…carbon, mai exact, grafenul, obtinut prin exfolierea grafitului. Este o structura cristalina ca si siliciul, dar grosimea este de 1 atom, iar in plan, distanta intre atomii de carbon este de 0.14nm fata de 0.54nm la atomii de siliciu. In plus, grafenul conduce curentul nu prin intermediul electronilor, ci prin intermediul unor particule incarcate electric si care nu au masa, deci nu mai necesar folosirea a 3 straturi, este suficient folosirea unui singur strat. Mai mult, este evitata si agitatia termica datorata miscarii electronilor, in consecinta caldura mai putina, infinit mai putina. Si desigur, sa nu uitam cat de casabila este sticla si cat de dur este diamantul, asta pentru a lamuri ce inseamna siliciu si ce inseamna carbon. Grafenul este cel mai puternic si durabil material cunoscut in stiinta.

In 2008, a fost construit cel mai mic tranzistor, de dimensiunea unei molecule, folosind grafen. Dimensiunea: 10 atomi (1.4nm) in lungime,1 atom grosime, fiind cu adevarat prima componenta nanoelectronica. Ce inseamna in circuitele integrate asemenea dimensiuni? Sfantul Graal..in loc de cateva miliarde tranzistori, un procesor va avea miliarde de miliarde de miliarde de tranzistori. In cat timp va fi disponibila tehnologia in scopuri comerciale? Cam in 20 de ani.

Peste 20-30 de ani vom avea calculatoare grafenice ca in videoclip.

2. Dar chiar si calculatoarele grafenice au limita lor pentru simplul motiv ca functioneaza ca si calculatoarele pe baza de siliciu, si anume: se imparte intrebarea la care se doreste raspunsul in micro-intrebari(instructiuni), operatie care se face prin intermediul unui limbaj de programare; toate aceste instructiuni se trimit pe rand, una cate una la masina, lucru care se face prin intermediul codului masina.

Calculatoarele moderne executa 10 trilioane de instructiuni pe secunda, iar acest lucru a fost posibil prin cresterea numarului de tranzistori per cip. Un calculator modern este capabil sa controleze un brat robotic. Calculatoarele grafenice vor executa miliarde de trilioane de instructiuni pe secunda si probabil vor fi capabile sa controleze un brat uman.

Limitarea vine din faptul ca instructiunile sunt trimise procesorului spre executie una cate una,secvential. Spre deosebire de calculatoare, neuronii trimit ‘doar’ 1000 de instructiuni pe secunda, dar in schimba toti neuronii lucreaza in paralel. Asta face ca 200 de creiere umane sa egaleze puterea de procesarea a tuturor dispozitivelor electronice aflate in functiune pe planeta.

Urmatorul calculator va imita creierul, se numeste  calculator molecular si este construit din ADN si enzime. Baza acestui calculator nu sunt microcipurile, ci molecula ADN. Aceste calculatoare vor trebui hranite, vor avea metabolism si vor fi grupate in retele neurale. Poate suna de domeniul SF, dar acum 10 ani a fost construit primul calculator molecular in Israel. In prezent, cel mai aproape de o molecula ADN s-a ajuns cu  2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone. 

In 50-100 de ani este posibil sa fie contruite primele calculatoare moleculare la scara industriala. Si nu vor arata deloc ca un calculator din prezent. Vor face pur si simplu parte din noi, noi insine vom fi niste calculatoare moleculare imbunatatite. Si ganditi-va la implicatii. Ne gandim la inteligenta artificiala ca la ceva gen Terminator, cu roboti dotati cu procesoare puternice si inzestrati cu constiinta. Ideea este stupida, un soarece ar fii mult mai inteligent decat un astfel de robot. Inteligenta artificiala nu va fi ceva construit din metale si siliciu sau grafen…nu, inteligenta artificiala va fi organica, avand la baza aminoacizii.

Pentru a va face o idee trebuie sa vizionati urmatorul clip.

3. Si daca v-as zice ca inclusiv calculatoarele moleculare sunt apa de ploaie in comparatie cu calculatorul suprem. Sa recapitulam. Prin nano-tehnologia grafenica am adus dimensiunile unui tranzistor la dimensiunile unei molecule. Folosind nano-tehnologia moleculara am adus intregul calculator la dimensiunile unei molecule.

Urmatoarea tehnologie aduce calculatorul la dimensiunile unui atom si chiar dincolo de atom, la dimensiunile particulelor sub-atomice. Astfel de calculatoare se numesc calculatoare cuantice, iar modul in care functioneaza este cu adevarat magic. Bitii se numesc qbiti, si spre deosebire de biti care au 2 valori posibile, 0 sau 1, qbitii vor avea o infinitate de posibile valori, cuprinse intre 0 si 1. SF? Nu chiar, calculatoarele cuantice se produc deja comercial sau cel putin se pretinde de catre unii. De fapt un calculator cuantic este mai simplu de fabricat decat un tranzistor.

Exista si un record pentru calculatoarele cuantice…cel mai performant astfel de calculator a reusit sa calculeze 3×5. Suna retard?…poate, dar acest calculator este compus din doar 5 atomi. Si acum vine partea interesanta…acelasi calculator format din cei 5 atomi ar putea la fel de bine sa prelucreze toate semnalele radio primite pe pamant in timp-real. Problema in cazul calculatoarelor cuantice nu este constructia lor, ci programarea si interferenta.

Ziua cand vom invata sa programam un calculator cuantic este foarte, foarte departe in viitor si este posibil sa nu reusim. Dar daca vom reusi, implicatiile vor fi inimaginabile. Imaginati-va un punct atat de mic in care vom indesa un calculator capabil sa simuleze fiecare atom si micro-particula din acest univers, toate interactiile si fortele care guverneaza universul, sa tina evidenta fiecarei cuante de energie si toate astea in timp real. Acel punct mic se va numi singularitate , iar momentul cand vom da drumul la calculator se va numi BingBang. Virtualizarea universului va fi posibila, este chiar posibil universul nostru sa fie un simulacru masiv intr-un calculator cuantic programat de cel mai talentat programator cunoscut de oameni, Dumnezeu.


 

 


5 Responses to “Calculatoarele de maine”
Dan Posted on November 23, 2011 at 9:53 pm

Un articol bine venit si bine scris!

Eu raman adeptul conceptului de singularitate definit de Vernor Vinge (unul din scriitorii mei favoriti) conform caruia este irelevanta natura tehnologiei, ceea ce conteaza sunt performantele acesteia in prelucrarea informatiilor si luarea deciziilor, respectiv aparitia unei inteligente a masinilor superioara inteligentei umane. Desigur ca este un domeniu liber oricarei speculatii, dar daca ma uit la ritmul in care a evoluat tehnologia in ultimii 30 de ani cred ca momentul in care vom atinge singularitatea in tehnologie e mai aproape decat credem. 

Radu Boncea Posted on November 24, 2011 at 10:30 am

Avansul tehnologic in acest domeniu este intr-adever impresionant. Acum 60 de ani, primul tranzistor era de dimensiunile unui televizor. Acum am ajuns sa producem tranzistori de dimensiunea unei molecule. Am ajuns in punctul in care nu ne mai gandim daca se poate face, ci mai degraba cat costa, si nu cat costa financiar, ci cat costa ca si energie. 

Merci pentru feedback. 

bogdan c. Posted on November 24, 2011 at 12:48 pm

Foarte interesant articolul! Vreau sa te felicit pentru info si pentru munca depusa. Much appreciated!

Radu Boncea Posted on November 24, 2011 at 1:13 pm

Merci

Andrada Posted on December 9, 2011 at 12:09 am

Niciodata nu o sa reusim sa tinem pasul cu tehnlogia, mai ales la pret.

Post a Comment