Aby výkon počítačů stále stoupal, musejí je výzkumníci navrhovat zcela novým způsobem. Někteří se domnívají, že právě to už dokázali - v podobě strojů s uhlíkovými nanotrubičkami nebo jako optické počítače, které pracují se světlem.
Výzkumník Max Shulaker z Technologického institutu v Massachusetts říká: „Chceme počítače, které by byly stokrát až tisíckrát výkonnější než ty současné.“ Je to jistě odvážný výrok vystudovaného elektrotechnika, ale přichází v časech, kdy je odvaha potřeba. Motor pokroku v počítačové branži, Moorův zákon, se totiž zadrhává stále více - a zanedlouho by dokonce mohl úplně zůstat stát na místě. Podle Shulakera nyní nastává příležitost čelit takovým obrům v odvětví, jako je Intel nebo AMD.
Je tomu tak především proto, že etablované firmy založily svůj byznys na jediném receptu - na zmenšování. S každou novou generací počítačů se zmenšuje velikost tranzistorů na čipech, takže je možné na stejnou plochu dostat více elektroniky. Se zmenšujícími se tranzistory jsou však izolace čím dál tím tenčí a elektrický proud má tendenci „prosakovat“. Následkem je, že ten, kdo chce více výpočetní síly, potřebuje také hodně energie pro chlazení. V roce 2014 spotřebovala výpočetní střediska společnosti Google více než čtyři miliardy kilowatthodin elektřiny - což je stejně jako jedno menší velkoměsto.
Jak odhaduje šéf vývojářů Intelu Josh Fryman, v roce 2025 by mohla být dosavadní cesta na konci. Jeho firma bude v té době pracovat se šířkou struktury kolem pěti nanometrů. Pod touto velikostí by tranzistory už nepracovaly, a proto zde vyvstává poptávka po alternativách. Max Shulaker by měl jednu po ruce. Vsadil na elektroniku, avšak nikoli z křemíku, ale z uhlíku - na takzvané uhlíkové nanotrubičky (carbon nanotubes, zkráceně CNT).
Až tisíckrát výkonnější
Uhlíkové nanotrubičky jsou vlastně malé válečky tvořené jedinou vrstvou uhlíkových atomů, tenké jeden nanometr (miliontina milimetru). Tranzistory z uhlíkových nanotrubiček byly zkonstruovány již v roce 1998. Nanotrubičky se však nejen obtížně vyrábějí, ale také se s nimi špatně zachází. Dopravit tyto mikroskopické částečky na určené místo je velmi obtížné, navíc se mohou snadno „vysmýknout“ ze svého místa a zkratovat okruh, v němž mají fungovat. Maxovi Shulakerovi se však v roce 2013 podařilo zkonstruovat jednoduchý, ale multitaskingu schopný počítač se 178 tranzistory z CNT.
„Technologie dále vyzraje a umožní konstrukci trojrozměrných čipů,“ předpovídá Shulaker. Budou-li přepínací obvody navrstvené přes sebe jako patra ve vysoké budově, zkrátí se milimetry dlouhé cesty, které musí data urazit mezi pamětí a procesorem. Shulaker tak chce dosáhnout 100- až 1000násobného vzrůstu výkonu. Jeho tým na Technologickém institutu v Massachusetts chce za několik málo měsíců představit první 3D čip.
Mnozí odborníci jsou ale skeptičtí - stále zde ještě podle nich vyvstávají nevyřešené problémy. Kontakty uhlíkových nanotrubiček s jinými elektronickými součástkami prý budou příliš masivní, což znamená, že CNT tranzistory by musely být příliš neohrabané a velké. Konkurenční výhoda oproti křemíkovým tranzistorům by se tak ztratila. Navíc by se musela celá polovodičová branže přeorientovat z křemíku na uhlíkovou elektroniku. Shulaker oponuje, že i tak by se CNT počítače daly vyrábět masovým způsobem. Jeho CNT sice skončí s křemíkem jako surovinou pro počítačové čipy - nikoli však se základní funkčností klasických digitálních počítačů, kterou je následné zpracování příkazu za příkazem.
Světelný počítač
Pro další dvě vývojářské skupiny tento krok není dostatečně revoluční. Chtějí počítače dostat na novou úroveň pomocí dosud málo používaného média -světla. Na čele pelotonu je v tomto společnost Optalsys z britské Cambridge.
Zhruba řečeno, světelný počítač funguje takto: laserový paprsek prochází stínítkem z tekutých krystalů. Pixely na stínítku nesou vstupní data v podobě různé světelné propustnosti - každý bit odpovídá jednomu pixelu na stínítku. Světelné vlny, z nichž sestává laserový paprsek, jsou v každém pixelu rozdílné ztlumeny a za stínítkem jsou následně překryty přes sebe. Vytvářejí takzvanou Fourierovu transformaci, kdy každý jednotlivý bod představuje komplexní matematické propojení vstupních dat. Tak vzniká extrémně rychlý, masivně paralelní počítač.
Sama o sobě není tato myšlenka nová, podobné systémy byly zkonstruovány již v šedesátých letech. Postupem času byly vyvinuty cenově výhodné lasery a optické paměti a výzkumná komunita si dělala naděje, že bude už brzy možné zkonstruovat čistě optické digitální počítače. Tyto systémy jsou však citlivé na vibrace, prach a výkyvy teploty. Klasické křemíkové stroje navíc rychle přidaly na výpočetní kapacitě, takže kolem přelomu tisíciletí výzkum v této oblasti poněkud ustrnul. Od té doby, co zájem o alternativy ke křemíkovým čipům znovu roste, prožívá toto pole svou renesanci. Zatím jsou však optické počítače spíše nástroji pro speciální aplikace.
Pátrání v lidské DNA
První prototyp od společnosti Optalsys se pokouší vyhledávat vzorce v lidské dědičné informaci. Současné počítače musely každý stavební kámen DNA srovnávat s jinými, krok za krokem. Optický procesor naproti tomu zvládne celý proces na jediný krok. „Hledání genových sekvencí by tak probíhalo dvacetkrát rychleji než s konvenčním počítačem a ušetřilo by se 95 procent energie,“ říká šéf firmy Optalsys Nick New. Optické stroje by se daly nasadit také při studiích aerodynamiky nebo při analýze finančních a klimatických dat.
Za tři roky má optický stroj provádět výpočty desetkrát rychleji než v současnosti nejrychlejší superpočítač světa, čínský Sunway TaihuLight. „A to s nároky na prostor a energii desktopu,“ dodává Nick New. Naproti tomu čínský superpočítač spotřebuje přibližně tolik energie jako malé město.
V této oblasti vyvíjí úsilí také pařížský start-up LightOn. Francouzi chtějí použít optické počítače pro strojové učení a umělou inteligenci a vyvíjejí optický koprocesor, který má klasickým strojům pomoci manipulovat s velkými datovými sadami. U analýzy genetických dat stále není jasné, které geny se vztahují k určitým nemocem nebo například k rychlému stárnutí. Pro zodpovězení těchto otázek musejí být biologická data zmenšena na zlomek své původní velikosti.
Čím větší je však databáze, tím více je potřeba operačních kroků, což rychle přetíží každý počítač. Stroj od LightOn to řeší paralelními výpočty. „Funguje to 500krát rychleji než na PC, a to s přibližně stejnými energetickými nároky,“ uvádí Laurent Daudet, spoluzakladatel firmy. Optický počítač společnosti LightOn má být přibližně za dva roky připravený pro trh. Je tedy reálné, že v blízké době se dočkáme nástupu poněkud exotických počítačů, podstatně se odlišujících od toho, co jsme doposud důvěrně znali.
Foto popis| Snímek procesoru z uhlíkových nanotrubiček, pořízený elektronovým mikroskopem.
Foto popis| Zakladatel firmy Optalsys Nick New chce konstruovat optické počítače s energetickou spotřebou PC a výpočetní silou superpočítače.
Foto popis| Greg Young, šéf firmy Luxtera, která vyrábí čipy kombinující optiku s křemíkovou elektronikou.
Foto popis| V roce 2013 představil Max Shulaker, tehdy jako doktorand na Stanfordu, svůj první CNT čip. Nyní pracuje v Technologickém institutu v Massachusetts (MIT) s tranzistory z uhlíkových nanotrubiček.
O autorovi| MICHAL ČERNÝ, michalcerny.media@seznam.cz