Technologické trendy 2011

Příští rok zaznamená IT odvětví velké změny. Měli bychom se setkat s mnohojádrovými procesory, mobilními displeji s výjimečně nízkou spotřebou a domácími 3D televizory, k nimž nebudete potřebovat 3D brýle. Chip vás seznámí s nejočekávanějšími novinkami roku 2011.
NIELS HELD

Ne všechny inovace mají smysl a zdaleka ne všechny se nakonec prosadí. Následující technologie však budou v nadcházejícím roce hrát v oblasti IT klíčovou roli. SCC procesory budou obsahovat velké množství nezávislých jader a díky masivní paralelizaci zpracovávaných úloh přinesou výrazné zvýšení výkonu počítačů. Výrobu mnohojádrových procesorů umožní přicházející 22nm výrobní technologie. Poprvé v historii operačních pamětí se pak díky technologii Memristor setkáme s paměťovými moduly, které budou schopné udržet informace i po vypnutí počítače. Jednou z výhod, které memristory přinesou, bude možnost okamžité práce s operačním systémem počítače hned po jeho zapnutí. Memristory možná dokonce přinesou neočekávaný a předčasný konec SSD disků – budou mít podobné vlastnosti jako flashové paměti, ale jejich výroba bude stát pouhý zlomek nákladů, které vyžaduje produkce SSD disků. Radikální novinky se chystají i pro způsob komunikace mezi uživatelem a počítačem. Díky technologii Eye Tracking nebudou autostereoskopické 3D displeje k projekci ostrého 3D obrazu vyžadovat speciální 3D brýle. Díky schopnosti sledovat pohyby uživatele nebude třeba používat žádné polohovací zařízení. Stále oblíbenější čtečky elektronických knih, mobilní telefony a tablety budou vybaveny displeji s technologií Mirasol. Tyto displeje mají nabídnout dokonalou barevnou kvalitu a přitom spotřebovávat mnohem méně energie než stávající displeje elektronických čteček knih.


Trend Light Peak 2011
2010 - USB 3.0
Kabel 5Gb USB 3.0 není tak univerzální, jak by měl být.

Přenos dat pomocí laserových paprsků

Již příští rok bychom se měli setkat se základními deskami, jejichž obvody budou proudit laserové paprsky. Nové laserové rozhraní Light Peak, které chystá společnost Intel, má mít datovou propustnost až 100 Gb/s.

Počátek konce rozhraní USB 3.0 zapříčinily elektromagnetické interference s rozhraním HDMI a síťovým ethernetem. Intel je přesvědčen, že pomalu nastává konec měděných a jiných kovových kabelových rozhraní, protože začíná narážet na fyzikální limity. Intel chce překonat tato fyzikální omezení právě uvedením technologie Light Peak, která má představovat standard pro přenos dat prostřednictvím světelných paprsků. Light Peak pracuje s optickými kabely a přenosem informací prostřednictvím laserových paprsků. Přenos pracuje tak, že na straně počítače jsou elektromagnetické signály převedeny prostřednictvím speciálního řadiče a optického modulu do podoby miniaturních světelných impulzů. Optický modul má rozměry 12 × 12 mm a disponuje dvěma Light Peak porty, skládajícími se z dvojice skleněných vláken. Tato vlákna mají tloušťku 125 mikrometrů, jsou tedy stejně tlustá jako lidský vlas. Na připojeném přístroji jsou tyto impulzy opět převedeny pomocí fotodetektorů do podoby elektrických signálů, se kterými dokáže zařízení pracovat.

Díky novým protokolům bude Light Peak univerzální

Technologie Light Peak nabízí řadu výhod. Díky propustnosti 10 Gb/s (přenosová rychlost první verze Light Peak, do budoucna se počítá s maximální propustností až 100 Gb/s) bude s přenosovou rychlostí 1,25 GB/s dvakrát rychlejší než USB 3.0. Při této rychlosti by kopírování celého Blu-ray disku trvalo jen 30 sekund! V budoucnu plánuje Intel zvýšit rychlost tohoto standardu až na hranici 100 Gb/s. Protokol Light Peak byl navržen tak, aby co nejvíce konkuroval standardu USB, takže se počítá s tím, že by se mohl stát univerzálním přenosovým protokolem a nahradit všechna stávající připojení včetně portů HDMI, DisplayPort, a dokonce by se jeho prostřednictvím mohla uskutečňovat komunikace i v rámci lokální počítačové sítě. Oproti standardu USB se rovněž prodlužuje délka možného propojení. Kabely, se kterými bude Light Peak pracovat, umožní přenášet data až na vzdálenost 100 metrů, tedy na dvacetkrát větší vzdálenost než USB. Optická vlákna mají jednu nevýhodu, a to nemožnost vést elektrickou energii pro napájení periferií. Z tohoto důvodu plánuje Intel do svazku optických vláken rozhraní Light Peak vložit i měděný vodič, který dokáže napájení připojených externích periferií realizovat. Light Peak má nabídnout stejné uživatelské pohodlí jako USB, a bude tedy podporovat obousměrnou výměnu dat a možnost simultánního přijímání i odesílání dat v obou směrech. Intel slibuje, že Light Peak bude stejně jako USB umožňovat "hot plug", tedy připojování a odpojování externích zařízení za chodu operačního systému. První moduly Light Peak by měly být dostupné již koncem tohoto roku. Šušká se, že prvním výrobcem, který technologii Light Peak v praxi použije ve svých počítačích, bude Apple. Nebylo by to ani poprvé, kdy tato firma pomůže prosadit novou přelomovou technologii. Stejně tak byl Apple první společností, která své počítače standardně osadila porty USB.

JAK FUNGUJE LIGHT PEAK
Na rozdíl od měděných kabelů, které využívá rozhraní USB, přenáší Light Peak data pomocí laserových paprsků. Před přenosem musí být ale data převedena na optické signály.

Vysílací čip
Minilaser: Přenos dat zajišťují laserové paprsky.
Modulátor: Data jsou modulována do podoby světelných signálů.
Multiplexer: Datový tok je sveden do jednoho kabelu.
Optický kabel
Přijímací čip
Demultiplexer: Data jsou opět rozřazena do čtyř svazků.
Fotodiody: Diody převádí světelné signály zpět do podoby elektrických dat.
Data

Foto: Rychlý laser Modul rozhraní Light Peak obsahuje dva porty, z nichž každý pracuje se dvěma optickými vlákny. Rozhraní Light Peak bude mít zprvu propustnost 10 Gb/s, v budoucnu dosáhne až 100 Gb/s.


Trend Mnohojádrová CPU 2011
2010 - Mnohojádrová CPU
Současné procesory s několika jádry neumožňují optimální paralelní zpracování úloh.

Desítky jader zajistí přelomový výkon

Mnohojádrové procesory Intelu budou rozdělovat zpracování úloh mezi desítky výpočetních jader, které však budou jednodušší než současná jádra se složitou architekturou. Díky tomu bude možné procesory dále miniaturizovat.

Téměř přesně před rokem předvedl Intel první funkční paměťový čip postavený na 22nm technologii. První CPU s kódovým označením "Ivy Bridge" mají být k dispozici během roku 2011. Jejich produkci budou mít na starosti čtyři továrny, které každý měsíc vyprodukují 45 000 waferů s 22nm procesory.
Zmenšování výrobního procesu nových čipů by již nebylo možné bez využití nových materiálů. Procesory Ivy Bridge tak budou využívat již třetí generaci technologie Hi-K-Metal-Gates. Materiál hradel bude obohacen o hafnium a bude zabraňovat nechtěnému prosakování proudu. Vodivé cesty procesoru budou uspořádány do trojrozměrné základny (3D Stacking). Expoziční proces bude založen na imerzní litografii – při namáčení waferu budou cesty procesoru vytvářeny laserem o vlnové délce 192 nanometrů. Díky zmenšování výrobní technologie se na wafer vejde více procesorů a na plochu procesoru se zároveň vejde více tranzistorů. Díky menším tranzistorům je možné zvýšit výkon procesoru i množství jader, které bude každé CPU obsahovat. V budoucnu totiž nebude CPU počítače obsahovat jen čtyři nebo šest jader, ale jejich počet se zvýší na 48, 64 a více. Díky novým "mnohojádrovým" procesorům se radikálním způsobem zvýší i výkon procesoru. Například výkon při výpočtech s plovoucí čárkou se s každým jádrem zvyšuje o 100 procent, a to při zároveň nižší spotřebě. Jádra procesoru CPU budou navíc schopna převzít výpočetní úkoly GPU procesoru, a budou tak moci sloužit jako grafické koprocesory.

Hardwarové zpracování vláken s jednoduššími jádry

Aby se na plochu procesoru vešlo takové množství jader, musí být tato jádra menší, a to ještě více, než jaké zmenšení by přinesl pouhý přechod na 22nm výrobní technologii – jádra tedy musí být logicky jednodušší. Odstraněny tak budou některé funkce současných jednoa vícejádrových procesorů, které vyžadovaly složitou strukturu, jelikož neustále čekaly na data přicházející z pomalé operační paměti. V současnosti probíhá zpracování úloh ve vícejádrovém procesoru tak, že některé výpočty musí přes využití predikčních algoritmů čekat na výsledek výpočtu odehrávajícího se v jiném jádru, takže jsou často nečinné, zatímco by mohly mezitím zpracovávat jiné úkoly. Zásadní roli při zpracování takového množství jader bude ale hrát optimalizovaný operační systém, který bude pravděpodobně alokovat jednotlivé úlohy přímo výpočetním jádrům, ale zároveň bude muset počítat s prediktivním zpracováním úloh na úrovni procesoru.

ZÁKLAD PROCESORU
Základní stavební jednotkou i těch nejsložitějších procesorů je tranzistor. V moderních CPU jich najdeme až tři miliardy.
Průřez procesorem - Průřez procesorem ukazuje struktury napájející tranzistory elektrickým proudem.
Tranzistor - Nejmenší jednotka procesoru má velikost 32 nm. V příští generaci budou procesory Intel vyráběny technologií 22 nm, obrázky ale zatím k dispozici nejsou.

VÝROBA POMOCÍ IMERZNÍ LITOGRAFIE
Zmenšení 32nm výrobní technologie procesorů by nebylo možné bez zavedení nového procesu imerzní litografie. Tuto technologii Intel využije při výrobě 22nm procesorů.
1. Expozice - Wafer pokrytý fotorezistním materiálem je exponován pomocí laserových paprsků. Struktura čipu je vytvářena pomocí masky. Imerzní tekutina umožní zmenšení vlnové délky dopadajících paprsků.
2. Vývoj - Neexponované části fotorezistní vrstvy jsou odstraněny.
3. Leptání - Nechráněné části metalické vrstvy jsou odleptány.
4. Odstranění rezistního materiálu - Hotové vodivé vrstvy jsou zbaveny fotorezistoru.

Foto: Aubrey Isle Prototyp serverového procesoru postavený 32nm výrobní technologií obsahuje 32 jader, včetně virtuálních jich je 64.


Trend Memristor 2011
2010 - SSD disk
SSD disky s flashovou pamětí jsou rychlé a tiché, ale příliš drahé.

Nástupce flashových pamětí a RAM

Očekáváme, že pevné disky, flashové paměti i moduly operační paměti budou nahrazeny memristorovými pamětmi. Díky nim budou počítače bootovat téměř okamžitě.

Tento vynález je starý více než 35 let. Již v roce 1971 byla předpovězena existence memristoru, který by doplňoval již známé elektronické součástky, kterými jsou odpor, kondenzátor a cívka (viz vpravo). První memristor však sestrojila společnost Hewlett-Packard až v roce 2008. Výraz memristor vznikl jako složenina slov memory (paměť) a resistor (rezistor; odpor). Na principu memristoru je možné vyrábět paměťové čipy, které jsou rychlejší než DRAM a které navíc dokáží udržet uložené informace při mnohem nižším napětí než klasické paměťové čipy. Díky tomu udrží memristory informace i po vypnutí napájení počítače. Společnost HP je přesvědčena, že tento elektronický prvek přinese do oblasti IT revoluci. Šéf vývojových laboratoří HP Stan Wiliams je přesvědčen, že memristor bude základem univerzálních pamětí, které jednoho dne nahradí nejen flashové a DRAM paměti, ale i pevné disky. Prvním vyráběným produktem využívajícím technologii memristorů bude paměť ReRAM (Resistive RAM), která udrží zaznamenané informace i po vypnutí počítače. Díky této technologii bude možné poprvé sestrojit stolní počítače a notebooky, které budou moci pracovat s operačním systémem okamžitě po zapnutí. Při zapnutí počítače s memristorovou pamětí nebudou muset uživatelé čekat dlouhé desítky sekund na načtení operačního systému z pevného disku do operační paměti a budou tak moci začít okamžitě pracovat. Společnost HP hodlá memristorové paměťové moduly vyrábět již v blízké budoucnosti a již podepsala několikaletou smlouvu s korejským výrobcem paměťovým médií, firmou Hynix.

Praktičtější, menší a rychlejší než Flash

Společnost HP je přesvědčena, že memristory jednou provždy nahradí flashové paměti. Paměti tohoto typu budou nejen desetkrát rychlejší než stávající flashové moduly, ale zároveň budou spotřebovávat méně energie a při hromadné výrobě bude jejich výroba dvakrát levnější než u flashových pamětí. Na vývoji nových materiálů pro memristory již pracuje výzkumné centrum americké Riceovy univerzity. Zatímco HP vyrobila první prototypy memristorů za pomoci patentované technologie na základě titanu, výzkumníci Riceovy univerzity vytvořili první funkční vzorky memristorových RAM buněk za použití oxidu křemíku. Výhodou křemíku je jeho velké rozšíření v zemské kůře a levnější výroba. Fyzikální vlastnosti křemíku jsou zkoumány již od šedesátých let, ale výzkum na Riceově univerzitě dokázal, že díky napěťovým pulzům mohou tenké vrstvy oxidu křemičitého měnit opakovatelně odpor od nekonečna téměř k nulové hranici. Paměťové buňky z oxidu křemičitého mohou mít rozměry pouhých 5 nm, zatímco flashové buňky již dnes s velikostí 20 nm narážejí na fyzikální hranice použitých materiálů. Paměťová memristorová buňka využívající oxid křemičitý je aktivována během 100 nanosekund a předčí flashové buňky v počtu možných zápisových cyklů.

PRINCIP FUNGOVÁNÍ MEMRISTORU
Jednoduchá struktura - Výroba memristorů je jednodušší než výroba flashových pamětí. Memristor se v podstatě skládá z pravoúhle položených vodivých drah, paměťový materiál tvoří oxid křemičitý.
Množství materiálů - Paměťová vrstva memristoru je vyrobena z různých metalických a nemetalických materiálů. Výzkum Riceovy univerzity ukázal, že jako základ paměťové vrstvy memristoru může sloužit i oxid křemičitý.
Ideální vodivý stav - Základ paměťové vrstvy memristoru tvoří oxid křemičitý. Ve vodivém stavu tvoří nanovodič krystaly křemíku o tloušťce 5 nm a kyslík je rozveden do okolí.
Nevodivý stav - Vrstva oxidu křemičitého, z níž je složen paměťový materiál, má hustotu od 5 do 20 nm. Od tloušťky 10 nm nevytváří vodivé dráhy.

Foto: Nováček Memristor je čtvrtou elektronickou součástkou a byl poprvé vyroben v roce 2008. Dokáže zpracovávat data stejně rychle jako RAM a umí je udržet i bez napájení.


Trend Mirasol 2011
2010 - Elektronický inkoust Pearl
Monochromatický displej zobrazuje data i bez napájení, ale nedokáže přenášet pohyblivé scény.

Barevný displej bez napájení

V dnešní době slouží k zobrazení barevných pohyblivých scén LCD displeje, čtečky elektronických knih používají z důvodu úspory energie monochromatický elektronický inkoust E-Ink. Technologie Mirasol přináší to nejlepší z obou světů.

Dvě miliardy amerických dolarů investovala společnost Qualcomm do výstavby nové továrny, která má v budoucnu vyrábět revoluční displeje. Jedná se o tzv. "interferometrické modulační displeje", pro které Qualcomm používá lépe znějící marketingové označení "Mirasol". Displej této technologie se skládá z tisíců miniaturních interferometrických modulačních částí (IMOD), které se mohou nacházet ve dvou stavech a zobrazují buď černou, nebo jinou libovolnou barvu. Tyto části tvoří subpixely o rozměrech od 10 do 100 mikrometrů. IMOD subpixely mohou být uskupeny do pixelu tak, že budou představovat červenou, zelenou a modrou část pixelu. Každý IMOD prvek se skládá z vrchní skleněné vrstvy s aplikovanou polopropustnou metalickou vrstvou, spodní odrazivé vrstvy a mezi nimi uložené vzduchové mezery. Podle vzdálenosti obou vrstev a tloušťky vzduchové mezery zobrazují subpixely modrou, zelenou nebo červenou barvu. Aplikováním elektrického napětí se vzduchová mezera pohybuje nahoru nebo dolů a mění tak barvu. V případě, že se reflexní vrstva zvedne vzhůru, pohltí dopadající světlo a subpixel zobrazí černou barvu. V případě, že se reflexní vrstva nachází dole, zobrazuje IMOD prvek jasnou červenou, zelenou nebo modrou barevnou složku.

Ostrý barevný displej bez spotřeby

Výhodou této technologie je, že elektrický proud je třeba pouze pro počáteční změnu stavu IMOD prvku, přičemž i v tomto případě je spotřeba mnohem nižší než u klasických displejů. Displeje typu Mirasol tak budou obzvlášť vhodné pro čtečky elektronických knih, které tak budou schopny zobrazovat nejen černobílé knihy, ale i barevné časopisy. Výhodou technologie Mirasol je rovněž vysoká rychlost změny stavu, která je mnohem vyšší než u stávajících displejů s "elektronickým inkoustem". Díky vysoké rychlosti bude možné displeje typu Mirasol využít i k zobrazení videosekvencí. První prototypy displejů Mirasol mají stejnou dobu odezvy jako LCD displeje. Tato technologie však nedisponuje vlastním podsvícením displeje. Stejně jako stávající monochromatické čtečky elektronických knih nebo obyčejné papírové časopisy spoléhají i displeje Mirasol na externí osvětlení. Díky velmi dobré reprodukci barev a vysokému rozlišení tak nabídnou displeje Mirasol stejný zážitek z četby jako magazín vytištěný na kvalitním lesklém papíru. Tak to alespoň společnost Qualcomm slibuje. Zatím předvedla prototyp displeje Mirasol, který zobrazuje barvy jasně viditelné i za slunečního světla, disponuje dostatečně vysokým rozlišením a dobou odezvy, která umožňuje zobrazení pohybu bez viditelného rozmazání či zbytkových obrazových artefaktů. Qualcomm začne displeje Mirasol vyrábět koncem příštího roku.

JAK JE VYTVÁŘEN OBRAZ NA DISPLEJI MIRASOL
Prvky displeje Mirasol generují barvy prostřednictvím interferencí. Světlo prochází tenkou vrstvou a dopadá na odrazivou membránu. Podle tloušťky vzduchové mezery pak prvek displeje zobrazuje jednu ze tří základních barev. Pokud je membrána roztažena těsně pod vrchní vrstvou, IMOD prvek zobrazuje barvu černou.
Základní struktura - Pixel displeje Mirasol je složen z několika subpixelů zobrazujících jednu ze základních barev (červená, modrá, zelená). Subpixely se od sebe liší pouze výškou vzduchového sloupce.

Foto: Mechanické obrazové prvky Displeje typu Mirasol jsou složeny z tisícovek miniaturních subpixelů s dostatečně rychlou dobou odezvy, která dovolí i zobrazení videosekvencí.
Foto: Pod mikroskopem Subpixely displeje Mirasol se skládají ze dvou vrstev, z nichž spodní je pohyblivá. V různých stavech zobrazuje buď černou, nebo červenou, modrou či zelenou barvu.


Trend Sledování pohybu 2011
2010 - Rozpoznávání pohybu
Systémy pro rozpoznání pohybu bez použití infrapaprsků jsou založeny na sledování externích značek.

Rozpoznávání gest a 3D video bez brýlí

Technologie sledování pohybu Motion Tracking dokáže rozpoznávat mechanismus jednotlivých pohybů a zvládá to i v 3D prostoru a bez brýlí.

Microsoft nedávno uvedl na trh zařízení Kinect. Herní konzole nové generace umožňuje ovládat hry pouze prostřednictvím pohybu končetin, těla a hlavy. Tato technologie je tak dokonalá, že dokáže rozpoznat i detaily, jako jsou například oči hráče, a tyto pohyby převádět do příkazů ovládajících postavy her. Kinect funguje na bázi speciální kamery, která je kromě objektivu pro snímání videa vybavena i infračerveným senzorem. Tento senzor rozpozná přítomnost osob a určí, jak daleko od senzoru se hráč nachází. Systém dokáže zpracovat pohyby více osob, většina her je ale určena maximálně pro dva hráče. Systém Kinect se začne prodávat od listopadu letošního roku a bude jej prozatím podporovat pouze herní konzole Xbox 360. Podle oznámení společnosti Microsoft však můžeme čekat, že se s tímto systémem časem setkáme i v oblasti velkoplošných televizorů. Poprvé má systém "MagicMotion" posloužit k dálkovému ovládání špičkového televizoru LG LX9500. "Magický" dálkový ovladač bude mít pouze sedm tlačítek, akcelerační senzor a gyroskop. Dálkovým ovladačem bude tedy možné mávat stejně jako ovladačem herní konzole Wii a pomocí gest tak ovládat funkce televizoru, hry integrované do televizoru nebo například kurzor zobrazovaný na obrazovce.

Sledování očí a perfektní 3D obraz bez brýlí

Sledování gest a očí diváka bude hrát v oblasti televizorů stále důležitější roli a umožní například sledování 3D obrazu bez nutnosti speciálních nepraktických brýlí. Již dnes existují prototypy autostereoskopických 3D televizorů, které dobře fungují i bez sledování očí diváka. Tyto televizory však musíte sledovat pouze z určitého úhlu, což znamená, že jasně viditelný 3D obraz spatříte pouze z určité pozice před obrazovkou. Z jiných pozic uvidíte jen zdvojený obraz. Z toho důvodu pracuje Fraunhoferův institut na vývoji 3D monitorů, které bude uživatel moci sledovat bez speciálních brýlí a které budou sledovat polohu očí diváka a podle této polohy okamžitě upravovat obraz tak, aby vytvářel 3D dojem z jakéhokoliv místa, kde se divák momentálně nachází. Kamery budou sledovat oči diváka s vysokou frekvencí a reakční dobou pod 20 milisekund. V případě, že divák během sledování filmu změní polohu vůči obrazovce, obraz se automaticky přenastaví. V příští generaci své přenosné herní konzole 3DS plánuje společnost Nintendo využít 3D technologii na bázi "paralaxové bariéry". Speciální štěrbinový povrch LCD displeje bude odrážet obraz do dvou odlišných směrů, z nichž každý bude určen pro jedno oko diváka.

SLEDOVÁNÍ OČÍ A ÚPRAVA 3D OBRAZU
Na vývoji 3D monitoru pracuje Fraunhoferův institut přes 25 let. Jeho nový systém využívá kamery sledující polohu divákových očí, díky čemuž dokáže upravit 3D obraz tak, aby byl i bez brýlí viditelný ve 3D podobě z jakéhokoliv místa před obrazovkou.
3D z každého úhlu - Systém vyvinutý ve Fraunhoferově institutu sleduje prostřednictvím kamery polohu očí diváka. Pokud změní divák polohu před obrazovkou, systém automaticky a v reálném čase změní projekci obrazu tak, aby byl viditelný v 3D podobě i z nového umístění diváka.
Jak funguje 3D obraz bez brýlí - Televizor využívá paralaxovou bariéru umístěnou před LCD displejem. Tato vrstva odráží 3D obraz do dvou směrů, každé oko tak vidí jiný obraz.
Autonomní 3D displej: Televizor je vybaven speciální filtrační vrstvou.
Paralaxová bariéra: Filtr odráží obraz do dvou různých směrů
LCD: Zpracovávaný signál je upraven tak, aby prošel optickým filtrem.

Foto: Infračervené oko Speciální kamera společnosti Microsoft dokáže zaznamenat trojrozměrnou podobu postavy, rozpoznat jednotlivé části těla a přiřadit jim ovládací prvky.