Circuit
Foto: PDV

Ein æra er omme

Datateknologien står overfor ei omstilling. Elektroniske komponentar er i ferd med å bli so små som dei kan bli, noko som krev at vi tenkjer heilt nytt.

I 1965 gjorde intelgründer Gordon Moore ein interessant observasjon om datateknologisk vekst. Han såg at transistortalet på ein datachip hadde dobla seg kvart andre år og framskreiv så ein tilsvarande vekst fram mot 1970. Denne doblinga har haldt fram i tiår etter tiår, og står framleis som ein bauta i teknologiindustrien, kjent som "Moores lov". For mannen i gata har denne "lova" betydd raskare datamaskiner og meir portabel teknologi.

Som ein manifestasjon på Moores framtidsutsikter har transistorane til Intel blitt 90 000 gongar meir effektive og 60 000 gongar billigare sidan 1971 ifølgje The Economist.

Denne eksponentielle utviklinga er eigentlig nokså utruleg. Få andre teknologiar kan vise til noko liknande

Erik Folven

Fleire gongar har denne føreseiinga blitt dømt nord og ned av ekspertar verda over, og fleire gongar har den eksponentielle veksten heldt fram med å forundre. Eksponentiell vekst betyr ganske enkelt at vi har ei fast prosentvis endring over fleire periodar av same lengde.

Men som all eksponentiell vekst kan ikkje Moores lov halde fram i det uendelege.

– Det er nok grunn til å seie at "enden er nær". Intel har no presentert sokalla tinanometerteknologi og ser fram mot transistorar heilt ned i til sju og fem nanometer, men utover dette er det mange som tvilar det vil vere mogleg å avansere, forklarar ekspert i nanoelektronikk, Erik Folven. Han ymtar mot at Moores lov kanskje varer i ti år til.

Erik Folven

Erik Folven er førsteamanuensis ved institutt for elektroniske system på NTNU

Foto: NTNU

For å forstå kor små dimensjonar ein snakkar om kan ein i praksis plassere om lag 29 millionar transistorar på punktum i denne setninga. (punktum = 0,1 mm²)

Men då er det vel berre å halde fram?

Transistorar kan stadig bli mindre. Problemet er at kvar transistor på ein microchip utviklar stadig meir varme som ein ikkje klarer å bli kvitt med kjøling.

Ei anna utfordring med datateknologi på atomnivå er at ein opererer med andre fysiske lover, kalla kvantefysikk. Lover som sjølv Einstein synast var "spooky". Desse lovene gjer det praktisk umogleg å utnytte elektron på den måten vi brukar i dagens teknologi.

Vi kan sjå ein transistor som ein port som slepp elektrisitet inn eller stengjer den ute. Innanfor fysikkens lover er dette prinsippet haldbart, men når vi kjem til kvantefysikken er historia litt annleis. Når transistorar når storleiken på atom byrjar det å skje merkelege ting. Elektron byrjar faktisk å teleportere seg rett gjennom ting. Vi kallar dette kvantemekanisk tunnelering. Sjølv om "porten" er stengt vil elektron i praksis kunne bevege seg gjennom. Dermed bryt prinsippet til den binære teknologien saman. 1 og 0 er ikkje lengre føreseieleg.

Forstår, kva skjer då?

Lenge var transistortalet synonymt med ytinga til ei datamaskin. Fleire komponentar, meir kraft. Men slett så eintydig er det ikkje lenger i datateknologien.

– Vi har ikkje fått raskare datamaskiner berre på grunn av vekst i transistortal. Det er fleire år sidan vi såg at varmeutvikling på databrikkene hadde blitt so stor at ein ikkje klarte å bruke alle transistorane samstundes. Gjer ein det vil varmeutviklinga øydelegge brikka, forklarer datamaskinekspert, Magnus Jahre.

Magnus Jahre

Magnus Jahre er førsteamanuensis ved institutt for datateknologi og informatikk på NTNU.

Foto: NTNU

– På eit vis kan vi seie at "Moores lov" allereie har møtt veggen. Rett nok har ein klart å auke transistortalet i "rett" takt, men om ein ikkje klarar å bruke alle er det lite til hjelp, utdjupar Folven.

Som eit svar på at ein ikkje klarer å utnytte alle transistorane samstundes har dataingeniørar funne på noko smart – akseleratorar. Dette er små maskiner som er spesielt gode til å utføre nøye utvalde operasjonar. I tillegg til dette er dei svært energieffektive fordi dei slår seg på og av etter behov.

– Dette er også grunnen til at vi i tida framover vi fortsette å sjå ein vekst i ytinga til datateknologi. Vi har med "Moores lov" vore litt bortskjemte og opparbeida oss litt ineffektivitet i datasystema vi har i dag. Det vil seie at vi framleis har nokre eingongstriks som vil hjelpe oss med å betre ytinga i ei overgangsperiode. Det blir vanskeleg, men vi klare å presse krafta nokre år til, forklarer Jahre.

Men ein ting er sikkert

Moores lov har eit best før-stempel, noko både Jahre og Folven kan seie seg einig i.

– Teknologien vil på eit tidspunkt måtte erstattast av noko heilt nytt, slår Folven fast.

– Eg vil ikkje gi noko dommedagsprofeti, men det blir utfordrande, meiner Jahre.

Utfordringa ligg enkelt å greitt i å få til meir energieffektiv databehandling, og det er vanskeleg å gjere med dagens teknologi, sjølv kor mange eingongstriks ein har på lur.

Greitt, men kva alternativ har vi?

– Nokre satsar på å gjere dagens teknologi betre, nokon tenkar fundamentalt nytt og nokon ser for seg hybridløysingar, fortel Folven

Alternativa er mange, men dei fleste har også har store utfordringar.

Kvantedatamaskin QPU

Ein QPU, quantum processing unit, brukar ikkje bits, men qubits. I motsetning til bits som kan vere 1 eller 0, kan qubits vere begge samtidig. Bilete er av kvantedatamaskina til D-Wave, eit av dei få selskapa som sel denne typen teknologi.

Foto: D-Wave

Kvantemaskiner: Som eit alternativ til den klassiske datamaskina har vi kvantedatamaskiner, som i teorien har eit enormt potensial. Ei kvantedatamaskin kan teste alle moglege utfall av ein situasjon på eit augeblikk framfor å teste alle moglegheiter i rekkjefølgje som ei tradisjonell datamaskin ville ha gjort. Det er på mange måtar den ultimate datamaskina om ein skulle få til å utnytte dens fulle potensial. Likevel skal det utruleg lite til for å forstyrre dataprosesseringa i slike maskiner.

Det finst kvantedatamaskiner i dag, men dei treng stor plass og kan berre fungere i eit veldig tilpassa miljø.

Johannes Skaar

Professor i fotonikk ved NTNU, Johannes Skaar

Foto: NTNU

Optisk datateknologi: Lys kan implementerast i datateknologien. Tanken rundt optiske datamaskiner går ut på å bruke foton framfor elektron, noko som gjer ytinga betre i tillegg til å vere energieffektiv. Problemet med fotonteknologi er at den fort blir større. Lys ser så langt ut til å ha ei brukbarheitsgrense på 1000nm, noko som bleiknar i forhold til dagens tinanometerteknologi.

– Ei anna utfordring er å få lys til å påverke lys på foton-nivå. Lys kan fint brukast i kommunikasjon fordi det nesten ikkje let seg påverke. I ei datamaskin vil ein derimot at foton skal styre andre foton noko som då blir vanskeleg, forklarar Johannes Skaar, professor i fotonikk på NTNU.

Magnetisme: Folven og hans kollegaer vil bruke magnetisme i staden for å flytte på elektron som vi gjer i dagens system. Elektron har i tillegg til sin ladning magnetiske eigenskapar. Dette er ein kvantemekanisk eigenskap ved elektronet kalla spinn. Feltet har derfor fått namnet "spinntronikk"

– Sidan ein ikkje flyttar rundt på elektron, men heller snur deira magnetiske retning, får ein ikkje ohmske tap, fortel Folven.

At ein ikkje har ohmsk tap vil seie at ein ikkje mister elektrisitet gjennom motstand.

Ideen er at ein kan plassere nanomagnetar so tett saman at dei påverkar kvarandre sitt magnetiske felt. Endrar ein spinnet til ein magnet får dette ein dominoeffekt som endrar spinnet til alle magnetane i rekkja og dannar eit magnetisk signal som nesten ikkje kostar energi. Energikostnaden kan faktisk bli ein million gongar mindre enn det som blir brukt i dagens datamaskiner.

Utfordringa med denne teknologien er at den magnetiske strukturen blir mindre stabil mot termiske effektar når den er veldig liten, samt at ein treng enno meir effektive måte å lese og skrive data til magnetiske komponentar.

Uansett

Datamaskinene i framtida vil ikkje vere som i dag. Kva teknologi som ligg til grunn kan vere alt ifrå optimaliserte og eksisterande komponentar til kvanteteknologi. Kanskje går vi mot ei differensiert dataverd der ulike teknologiar blir brukt til ulike formål? Verda vil trenge meir datakraft om ein skal klare å halde tritt med visjonane for framtida. Utfordringane står i kø, men våre ekspertar er positive til at dette er nok ei kneik vi skal overkome.