Japonská MANA může být 80× výkonnější než sebelepší tranzistorový procesor

  • Tranzistory současných počítačů vyzařují při přepínání teplo
  • Na Tokijské univerzitě proto vyvíjejí adiabatické procesory
  • Využívají supravodivost a jsou 80× úspornější

Základem každého současného polovodičového mikroprocesoru je tranzistor, který plní roli maličkého spínače elektrického obvodu. Když je tranzistor sepnutý, obvodem prochází drobný proud představující logickou 1 stejně jako dlouhé pípnutí morseovky, no a když tranzistor na náš povel obvod rozepne, napětí v obvodu klesne, a my tak vytvoříme logickou 0.

To je základ současného digitálního zpracovávání dat, kdy můžeme jakoukoliv myslitelnou informaci převést do binární sekvence nul a jedniček, a tedy i oněch logických stavů realizovatelných (třeba) změnou napětí v obvodu.

Tranzistor spíná obvod a vytváří binární 0 a 1

Když by tedy mělo podobným tranzistorem proletět dekadické číslo 2021 reprezentující současný rok, které má v binární soustavě hodnotu 011111100101, naše hypotetická polovodičová součástka se v případě čtení zleva postupně rozepne, 6 dob zůstane sepnutá, 2 doby rozepnutá, pak se znovu sepne, rozepne a konečně ještě jednou sepne.

Klepněte pro větší obrázek
Sériový digitální přenos čísla 2021 zleva v synchronním obvodu s hodinami

V synchronním obvodu tyto jednotlivé povely budou řídit hodiny, které generují signál střídavého napětí, jenž při každém pulzu diriguje celou strukturu navzájem zapojených tranzistorů. A přesně v tu chvíli se začne dít digitální výpočetní magie

Tranzistory totiž mohou svým vzájemným zapojením vytvářet elementární struktury, které s elektrickým signálem provádějí základní logické operace. A byť jsou opravdu primitivní, díky obrovské rychlosti přepínání to nakonec povede třeba k tomu, že matice tranzistorů vašeho laptopu sepne řadu drobných světýlek – subpixelů – a na displeji se začne rychlostí 60 Hz překreslovat náš nedělní Týden Živě.

Logický člen

Těmto základním logickým členům říkáme hradla (gate), mohou být konstruované různým způsobem, no a jedním z nich je třeba hradlo AND – konjunktor. Konjunktor má dva vstupní signály a jeden výstupní, na kterém se nastaví logická 1 jen v tom případě, pokud budou logické 1 i na obou vstupních signálech.

Klepněte pro větší obrázek
Hradlo AND/konjunktor sestavené z diskrétních součástek. Na výstupu Out bude pracovní napětí (logická 1) jen v případě, pokud bude logická 1 i na obou vstupech A a B (Foto: EBatlleP, CC BY-SA 3.0)

Když bychom takový konjunktor chtěli postavit pomocí diskrétních elektrických součástek z kdejakého krámku pro kutily, budou nám stačit dva vhodné tranzistory, pár drátků, zdroj napětí a několik rezistorů.

Schéma zapojení by pak vypadalo jako na snímku. Na výstupu Out změříme napětí ze zdroje (V) pouze v tom případě, že oba vstupní signály A a B sepnou své tranzistory, které dohromady uzavřou obvod.

Explodující hlava ve 4K potřebuje hromadu tranzistorů 

Zatímco k porovnání dvou signálů logikou AND si vystačíme se dvěma diskrétními tranzistory, zobrazení explodující hlavy nepřítele v nejnovějším FPS střílečce je už mnohem komplikovanější úloha, která těch tranzistorů potřebuje mnohem více.

Klepněte pro větší obrázek
Rostoucí počet tranzistorů v průběhu času (Foto: Max Roser, CC BY-SA 4.0)

A tak zatímco si Intel 4004 z roku 1971 vystačil s 2 250 tranzistory, armový Apple M1 z loňského podzimu jich už nabízí rovnou 16 miliard a zdaleka to není nejvíce.

Tranzistory spínáním vyzařují teplo

Vedlejším efektem stále vyššího výpočetního výkonu je ale jedna drobná nepříjemnost, kterou všichni dobře známe. Když bychom o pár řádů zpomalili čas, všimneme si, že obvodem tranzistoru nezačnou elektrony proudit okamžitě, ale otevírání cestičky pomocí tranzistorového jevu chvíli trvá. Tranzistor má v ten okamžik vysoký elektrický odpor a část energie se vyzáří jako teplo. No, a když se tranzistor začne zavírat, opět se část energie vyzáří jako teplo, než se cesta elektronům definitivně zablokuje.

Paralelou by mohla být třeba spojovací chodba pražského metra v odpolední špičce, kterou se tlačí dav (elektrická energie). Dokud je chodba volná, dav může postupovat vpřed (sepnutý tranzistor, malý odpor, málo vyzářeného tepla).

Jenže najednou do chodby naběhne četa uklízeček a začne mydlit podlahu (tranzistor rozpojuje obvod, rostoucí odpor). Lidé se snaží projít zužujícím se hrdlem suché podlahy, je jich ale mnoho, část v tom zmatku uklouzne a bude se povalovat po zemi (vyzářená energie ve formě tepla). Uklízečky konečně namydlí celou šířku chodby a dav se zastaví (tranzistor rozpojil obvod).

Stručně řečeno, jakmile začnou tranzistory spínat a rozepínat obvod, vyzařují teplo. A teď si představte, že tento nešvar přeneseme na současný špičkový procesor, který má podobných mikroskopických spínačů miliardy a ty se ke všemu nespínají rychlostí morseovky kdesi na skautském táboře, ale třeba miliardkrát za sekundu (1 GHz).

V jednom cyklu CPU se pochopitelně stav na všech tranzistorech v praxi nemění, ale kdyby k tomu v nějaké modelové situaci přece jen došlo při rychlosti 1 GHz, je to miliarda změn miliardkrát za sekundu, tedy 1 000 000 000 000 000 000 malých vyzářených teplíček, které ten procesor dohromady roztaví na chemické prvočinitele.

Tekutým dusíkem za více více hertzů

Čím složitější výpočetní úkon, tím zpravidla i více zapojených tranzistorů a tím také více odpadního tepla, které musíme odvést.

Od určité pracovní rychlosti současných špičkových procesorů to však už začíná být zapeklitý problém. Ostatně, nemusíme chodit daleko, před pár dny jsme totiž psali o přetaktování procesoru Intel Core i9-11900K na úctyhodných 6,9 GHz.

Inženýři z laboratoře Gigabytu k této kulišárně potřebovali hromadu tekutého dusíku, který procesor zchladil na -196 °C a odebral ohromné odpadní teplo z tranzistorů. Bylo to tedy sice úctyhodné, nicméně zároveň to poměrně názorně ilustrovalo, že by se výhledově možná mělo něco změnit. Samotná podstata.

8 % globální elektřiny jen pro datová centra

O jeden přetaktovaný procesor tu totiž opravdu nejde. Jde tu o všechny procesory světa, které při současné technologii logického přepínání zbytečně zahazují obrovské množství energie ve formě tepla, přičemž další energii spalujeme jen na to, abychom toto teplo někam odvedli.

Klepněte pro větší obrázek
Přepínání tranzistorů v datových centrech potřebuje hodně elektřiny

Jistě, objevuji se nové a nové recyklační technologie, které se pokoušejí odpadní energii dále zužitkovat, faktem ale zůstává, že jen internetová datacentra budou na sklonku tohoto desetiletí spalovat možná až 8 % globální produkce elektřiny. Dnes to jsou přitom zhruba 2 %.

MANA: Procesor, který nemá tranzistory

Co s tím? Jednou z cest by mohly být integrované obvody s adiabatickými logickými členy. Tedy s takovými hradly, jejichž vnitřní spínače při změně stavu nevyzařují téměř žádné odpadní teplo.

Může něco takového vůbec existovat? Ale jistě že ano, vědci z Tokijské univerzity se totiž nedávno v obsáhlém článku (PDF) pochlubili prvním supravodičovým adiabatickým mikroprocesorem svého druhu.

Klepněte pro větší obrázek
Procesor MANA s 20 000 supravodivými přechody JJ

Říkají mu MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture), používá 4bitovou architekturu RISC a je založený na logických členech AQFP, které namísto tranzistorů používají Josephsonovy přechody JJ (Josephson Junction). Uf, to je slovíček, podstata je ale prostá.

Klepněte pro větší obrázek
Niobový JJ přechod se stříbrným izolantem pod elektronovým mikroskopem

Když zchladíme vhodný vodič pod jeho kritickou teplotu, vytvoříme z něj supravodič, který vede elektrický proud bez odporu, a tak nedochází k žádným tepelným ztrátám. Josephsonův přechod odděluje dva supravodiče vhodným izolantem, ve kterém ale za splnění podmínek začne díky tunelovému jevu protékat proud.


Simulace kvantového tunelového jevu

Logický člen AQFP – Adiabatic Quantum-Flux-Parametron – používá několik takových přechodů a změnu binárního stavu interpretuje na základě fázového posuvu střídavého signálu.

Čip MANA se skládá z 20 000 JJ, které dohromady tvoří něco málo přes 10 000 hradel AQFP.

Analogických 2,5 GHz bez odpadního tepla

Pokud vám těch pár odstavečků výše nijak nepomohlo pochopit podstatu, vězte, že z našeho makroskopického pohledu jde o to, že současná verze procesoru MANA dokáže pomocí hradel AQFP a JJ přechodů přepínat logické 1 a 0 rychlostí 2,5 GHz a jeho autoři z Tokijské univerzity očekávají, že se při současném designu dostanou až na 5-10 GHz.

2,5 GHz není žádné terno, vždyť stejnou rychlostí dnes pracuje kdejaký domácí procesor, ale pozor, nesmíme zapomínat na to odpadní teplo. MANA díky niobovým supravodičům a adiabatickým přepínačům AQFP s JJ přechody žádné relevantní teplo nevytváří.

Skoro absolutní nula

Zvídavý čtenář si už jistě položil zapeklitou otázku: Fajn, procesor MANA sice možná při přepínání netopí, ale kritická teplota niobu asi nebude odpovídat běžným pokojovým 20 °C, že?

Klepněte pro větší obrázek
MANA si s běžným větráčkem nevystačí. Chlazení tu ale slouží jen k navození supravodivosti. Samotný čip se prací nezahřívá.

Ano, správně, pokud se už těšíte na vysněný komerční 64bitový procesor MANA Core-i9 s miliardou AQFP hradel, který bude pracovat při taktu 10 GHz, aniž by se roztavil, musíme vás zklamat. On se totiž sice opravdu neroztaví, niob se ale promění v supravodič jen při teplotě několika málo K.

Procesor MANA budete muset zchladit na tak nízkou teplotu, že vám nebude stačit ani ten dusík, kterým v Gigabytu trápili nebohý Intel Core i9-11900K. Budete potřebovat hélium, které teprve vytvoří příjemnou lednovou supravodivou zimu 4,2 K, tedy -268,95 °C.

80× méně energie než 7nm technologie

Možná si teď klepete na čelo, že se v tom případě jedná opět o ryze teoretickou technologii, která nemá kvůli podobným nárokům reálné ekonomické využití, tak tomu ale není. Byť je třeba niobové obvody neustále udržovat při teplotě blízké absolutní nule, díky absenci odpadního tepla i tak 2,5GHz MANA podle výpočtů spotřebuje zhruba 80× méně energie, než by tomu bylo u tradiční polovodičové alternativy se 7nm výrobní technologií. A jen drobný detail, do úspory energie autoři samozřejmě započítali i to šílené héliové chlazení!

Datacentra zítřka? Možná

MANA prozatím zůstává jen experimentem, ukazuje ale potenciální cestu, kterou bychom mohli dramaticky zvýšit výkon počítačů. Počítačů, které kvůli současné technologii supravodičů sice asi nebudete mít pod stolem, ovšem kdesi v obřím internetovém datacentru, by už něco takového možná mohlo fungovat a dávat smysl. A věří tomu i autorský tým z Tokijské univerzity, který technologii nadále rozvíjí.

Není se čemu divit, takové hypotetické datacentrum, do kterého by se při stejném energetickém příkonu vešlo 80× více výpočetního výkonu, by se totiž jistě líbilo nejen Googlu, ale i všem ostatním hráčům na současném internetu.

Diskuze (48) Další článek: Vesmírné zprávy: Vrátil se první Dragon druhé generace. Mise byla úspěšná

Témata článku: Technologie, Hardware, Apple, Google, Internet, Procesory, Intel, Čipy, Moorův zákon, Gigabyte, Nanotechnologie, Tranzistory, Mana, Pimoroni, Odpadní teplo, RISC, Počítač, GHz, Procesor, Tranzistor, Teplo, Josephson, Tokijská univerzita


Určitě si přečtěte

Čím nahradit WhatsApp: Vyberte si z 10 alternativních komunikátorů

Čím nahradit WhatsApp: Vyberte si z 10 alternativních komunikátorů

** Z WhatsAppu kvůli novým podmínkám utíkají tisíce uživatelů ** Čím nahradit populární aplikaci pro zasílání zpráv? ** Vybrali jsme pro vás 10 alternativních komunikátorů

Karel Kilián | 112

Karel Kilián
KomunikaceWhatsAppInstant Messaging
Avast Omni: Krabička, která vám hackne síť a promění se v unikátní antivirus

Avast Omni: Krabička, která vám hackne síť a promění se v unikátní antivirus

** Počítač dnes ochrání kdejaký antivirus ** Drobná krabička Omni se postará rovnou o celou domácí síť ** Bude ji odposlouchávat, analyzovat a blokovat útoky

Jakub Čížek | 120

Jakub Čížek
AntivirusIoT
Týden Živě: On fakt dnes ještě někdo stahuje filmy z Ulož.to?

Týden Živě: On fakt dnes ještě někdo stahuje filmy z Ulož.to?

** Kauza Ulož.to a proč my dva už (moc) newarezíme ** Windows 10X existují, ale nabízí se otázka proč ** Nissan ukázal vizi kanceláře v podobě karavanu

Jakub Čížek, Vladislav Kluska | 152

Jakub ČížekVladislav Kluska
Týden ŽivěVideo
Technici nestíhají. Cetin dočasně přerušil zavádění VDSL bondingu
Lukáš Václavík
CETINPřipojení k internetu

Aktuální číslo časopisu Computer

Megatest rychlých Wi-Fi 6 routerů

Jak ztišit počítač

Velký test mATX skříní