I mere end 40 år har vi oplevet en eksponentiel vækst, som har ført til opblomstringen af dét, der i dag er én af verdens største industrier. I 1965 formulerede medstifteren af chipproducenten Intel, Gordon Moore, en observation, som lige siden har holdt stik: Antallet af transistorer på en mikroprocessor fordobles cirka hvert andet år.
Det princip er i dag kendt som Moores Lov, og set over næsten 40 år har den været et usædvanligt stabilt pejlemærke for it- og elektronikbranchen.
»Moores Lov er blevet erklæret død mange gange, men man har altid fundet løsninger. Men den har også holdt stik, fordi industrien har valgt at følge loven,« siger lektor Ivan Harald Holger Jørgensen fra DTU Elektro.
Moores Lov er ingen naturlov, men blot en observation af, hvordan producenterne er blevet bedre til at fremstille mikroprocessorer. Det er derimod netop naturlovene, som nu for alvor ser ud til at true Moores Lov. Alle eksponentialfunktioner, som beskriver naturen, vil nå et punkt, hvor den eksponentielle udvikling ikke længere kan opretholdes. For Moores Lov kommer det formentligt til at ske inden for de næste år.
»Jeg vil pege på 2020, som det tidligste, hvor vi kan erklære den for død. Du kan måske overtale mig til 2022,« sagde chefen for den amerikanske forskningsfond DARPA's afdeling for micro systems i august 2013.
DARPA afsatte i oktober yderligere 85 millioner kroner til forskning i nye teknologier, som kan hjælpe udviklingen af mikroprocessorer videre. Men intet tyder på, at traditionelle teknologier kan holde liv i den eksponentielle vækst. Selvom der fortsat vil ske en masse gradvise forbedringer, så vil de næste 40 år ikke resultere i en tilsvarende udvikling, som vi har set i de sidste 40 år.
Fysikkens love sætter grænser
I dag fremstilles de nyeste mikroprocessorer med en teknologi, hvor de mindste dele måler 14 nanometer. Den nuværende teknologi til fremstilling af processorer vil formentligt kunne skaleres ned til 7 eller endda 5 nanometer. Derefter bliver det særdeles vanskeligt at forhindre kvantemekaniske og elektromagnetiske effekter i at overdøve den information, som siliciumatomerne skal holde på.
Chipproducenterne har allerede kæmpet med lækstrøm, hvor elektroner passerer gennem transistorer, hvor de ikke skulle gøre det. Det er blevet løst ved at bruge nye materialer til at konstruere transistorerne.
»I mange år har det været sådan, at en transistor bruger strøm til at skifte, men skal ikke bruge strøm, når den er i sin steady-tilstand, bortset fra en lille lækstrøm. Når vi går ned i geometri, bliver afstandene helt små, og så kan vi ikke afbryde strømmen. Så selvom den er slukket, løber der en lækstrøm igennem, som bliver mere og mere betydende,« forklarer Ivan Harald Holger Jørgensen.
På en skala, hvor de enkelte dele er konstrueret af få atomer, bliver det også vanskeligere at holde på elektronerne på grund af mere eksotiske effekter som kvantemekanisk tunnelling. Allerede i dag er det nødvendigt at tilpasse den geometriske fordeling af transistorerne, så man tager hensyn til svage punkter. Det gør det også dyrere at designe mikroprocessorerne.
Strømforbruget spænder ben
Der er flere alternativer til den teknologi, som i dag bruges til mikroprocessorer, men ingen af dem er endnu nået dertil, hvor de er parat til masseproduktion. Det kan blive en udfordring for de mest krævende computersystemer, som meget forskning i dag er afhængig af til eksempelvis klimamodeller og udvikling af ny medicin.
Den kraftigste supercomputer har i øjeblikket en regnekraft på 34 petaflops, og den næste store milepæl er en supercomputer med en regnekraft på mere end én exaflops, svarende til 10^18 operationer pr. sekund.
»Hvis teknologien gik i stå i dag, ville vi have et stort problem. Hvis man skulle bygge en exaflops-supercomputer med dagens teknologi, ville den bruge mere end 500 megawatt,« siger professor Brian Vinter fra Niels Bohr Instituttet, eScience, ved Københavns Universitet.
Sådan en supercomputer kunne bygges ved at benytte mere end 10 millioner processorer, som arbejder parallelt. Det er allerede modellen, som supercomputere bygges efter i dag, men strømforbruget gør det upraktisk at bygge dem endnu større.
Den alternative teknologi, som lige nu ser ud til at være tættest på massefremstilling, er såkaldte memristorer. En memristor har hidtil været en teoretisk komponent i elektronikken, men blandt andet Hewlett-Packard mener at være tæt på at kunne fremstille en bestemt type memristor.
En memristor kan lagre information, fordi dens elektriske modstand ændres ved at lede strøm gennem, og det kan i teorien både bruges til nye typer hukommelse og til logiske kredsløb i processorer. De første typer memristorer vil formentligt blive brugt til hukommelse, hvor den største fordel er, at en memristor kan lagre information uden en elektrisk spænding, sådan som nuværende RAM-teknologier kræver det.
»Memristors bliver spændende. Et af vores helt store problemer i supercomputere er strømforbruget, og RAM er ved at udgøre en meget stor del af vores strøm- og kølebehov,« siger Brian Vinter.
Ud over memristorer investerer chipproducenterne i disse år milliarder i forskning i nye materialer som eksempelvis kulstofnanorør og mere eksotiske teknologier som kvantecomputere.
Herunder kan du se et udvalg af de teknologier, som måske kan bidrage til at holde udviklingen i computernes regnekraft kørende, som bliver udviklet sideløbende med forsøg på at finde nye måder at øge udbyttet af den nuværende teknologi.
Kvantecomputer
Kvantecomputeren bruger kvantemekaniske effekter som superposition og entanglement. Den kan ikke afløse en konventionel computer til alle formål, men kan løse visse matematiske problemer meget mere effektivt. Det gælder eksempelvis primtalsfaktorering, som danner grundlaget for meget kryptering. Firmaet D-Wave fremstiller en kommerciel kvantecomputer, og efterretningstjenesten NSA arbejder også med teknologien.
Spintronics
I stedet for en elektrisk strøm af elektroner er spintronics baseret på at manipulere med enkelte elektroners spin. I teorien kan et enkelt atom på den måde udnyttes til at fungere som et logisk kredsløb ud fra elektronens impulsmoment. Både IBM og Intel arbejder på teknologien.
MRAM
Magnetoresistive Random Access Memory kan ikke direkte gøre mikroprocessorerne hurtigere, men det er en hukommelsestype, som kan lagre data uden konstant elektrisk spænding ligesom flash-hukommelse, men kan arbejde hurtigere. MRAM fungerer ved at lagre information i magnetfelter helt ned til atomniveau, hvor magnetfeltet påvirker den elektriske modstand. Adskillige firmaer arbejder med MRAM-teknologien.
Memristor
En memristor kan udnytte sammenhængen mellem elektrisk strøm og magnetfelter til at huske en bestemt elektrisk modstand. Der findes allerede mange bud på, hvordan en memristor kan udformes, og så sent som i 2012 lovede Hewlett-Packard, at vi ville se massefremstillede memristorer i løbet af halvandet år.
Denne artikel stammer fra den trykte udgave af Ingeniøren.
...men det er dyrt at lave god journalistik. Derfor beder vi dig overveje at tegne abonnement på Version2.
Digitaliseringen buldrer derudaf, og it-folkene tegner fremtidens Danmark. Derfor er det vigtigere end nogensinde med et kvalificeret bud på, hvordan it bedst kan være med til at udvikle det danske samfund og erhvervsliv.
Og der har aldrig været mere akut brug for en kritisk vagthund, der råber op, når der tages forkerte it-beslutninger.
Den rolle har Version2 indtaget siden 2006 - og det bliver vi ved med.
