6 technologii rodem ze sci-fi, które są bliżej niż myślisz (2 z 6)

2. Kryptografia kwantowa

Wraz z nadejściem pierwszych komputerów kwantowych, zbliża się także nieuchronna rewolucja w szyfrowaniu. Choć pierwsze projekty wykorzystujące szyfrowanie kwantowe pojawiły się już w 2008 roku, to teraz rozwiązania te wchodzą do użycia na większą skalę. W tej chwili Europa i Chiny prześcigają się w pracach nad satelitami, które mogłyby przesyłać dane bazując na szyfrowaniu kwantowym.

Warto przypomnieć dlaczego jest to takie ważne. Otóż obecnie wykorzystywane schematy bezpieczeństwa opierają się na złożonych matematycznych procedurach, które co prawda są bardzo odporne na próby włamania, ale ktoś mający do dyspozycji wystarczającą moc obliczeniową lub czas mógłby tego dokonać. Schematy zabezpieczeń kwantowych bazują z kolei na zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, na fakcie, że nie można zmierzyć danej wielkości (informacji kwantowej) bez jej zmieniania. W praktyce szyfrowanie to uznawane jest za metodę nie złamania. Więcej na ten temat przeczytacie w artykule "Kryptografia idealna"

http://www.pcworld.pl/news/169806/Kryptografia.idealna.html

6 technologii rodem ze sci-fi, które są bliżej niż myślisz (3 z 6)

3. PCM - alternatywne metody przechowywania danych

Choć pamięci typu Flash są wciąż optymalizowane, to w technologii przechowywania danych nadchodzi znacznie większy przełom. Dostępne dziś pamięci NAND (wykorzystywane np. w dyskach SSD) oferują możliwość zapisywania danych z prędkością sięgającą 2 Gb/s. W nowym typie pamięci prędkość zapisu danych ma zostać znacznie zwiększona - m.n. dzięki możliwości bezbłędnego zapisywania dwóch bitów danych w jednej komórce.

Pamięci PCM (Phase Change Memory), bo o nich mowa, to nowy rodzaj nieulotnej pamięci, która pracuje dużo wydajniej od tradycyjnych pamięci NAND/flash. Układy PCM wykorzystują materiał podobny do szkła, który zmienia swój stan z gazowego na krystaliczny po przyłożeniu do niego niewielkiego napięcia. Jeden ze stanów materiału reprezentuje logiczne 0, a drugi 1. Tym materiałem jest chalkogenid mający postać cienkiego filmu.

Co więcej, w przeciwieństwie do pamięci NAND, pamięć PCM nie wymaga by istniejące dane były oznaczone jako skasowane przed zapisaniem nowych danych w to miejsce (proces znany jako cykl erase/write). To pozwoli znacząco zwiększyć wydajność pamięci (szybkość zapisu danych na dostępnych dziś układach jest mocno ograniczona właśnie przez konieczność każdorazowego markowania danych do skasowania).

Z tego samego powodu znacząco zwiększy się żywotność pamięci. "Pamięci PCM mogą wytrzymać ok. 5 mln cykli zapisu. 3 tys. cykli - czyli możliwości dzisiejszych pamięci - to wartość wystarczająca w przypadki układów przeznaczonych do montażu w telefonach czy odtwarzaczach MP3, ale w przypadku produktów przeznaczonych do zastosowań korporacyjnych to zdecydowanie zbyt mało" - tłumaczą przedstawiciele IBM.

Głównym atutem rozwiązania zaprezentowanego przez IBM jest opracowanie zaawansowanego systemu eliminowania błędów zapisu, który rozwiązuje główny problem dzisiejszych pamięci PCM, czyli właśnie wysoką podatność na problemy w momencie zapisywania więcej niż 1 bitu informacji w pojedynczej komórce.

Podobny problem występuje zresztą w technologii NAND - w jej przypadku rozwiązaniem jest system korekcji błędów. Ale takie podejście ma poważną wadę: konieczność stałego monitorowania i usuwania błędów obniża ogólną wydajność układu. Z PCM w wydaniu IBM-a jest inaczej - tu błędy nie muszą być usuwane, bo opracowana przez firmę technologia zapobiega ich powstawaniu. Efektem jest wyższa wydajność pamięci.

W tej chwili na rynku znajduje się już pierwsza generacja pamięci PCM (tzw. pamięci typu memrystor). W tym roku Hewlett-Packard zainicjował projekt, w ramach którego zamierza projektować komputery oparte na zupełnie nowej architekturze, której nadał roboczą nazwę The Machine. Firma wiąże z architekturą duże nadzieje i informuje, że oparte na niej komputery będą zwierać nowy rodzaj pamięci (typu memrystor) oraz szybkie połączenia wykorzystujące fotoniczne światłowody. Spowoduje ona też to, że całe centrum danych będzie można umieścić w jednym rack'u, a na smartfonach będzie można przechowywać dziesiątki terabajtów danych. Brzmi niewiarygodnie, ale HP twierdzi iż jest to możliwe.

6 technologii rodem ze sci-fi, które są bliżej niż myślisz (4 z 6)

4. Alternatywne przewodniki

Naukowcy od lat prowadzą badania nad tranzystorami opartymi na węglowych nanorurkach, które w ich opinii powinny zastąpić w przyszłości tradycyjne tranzystory krzemowe. Tranzystory nanorurkowe mają postać długich łańcuchów, w których ogniwami są atomy węgla. Mają one tę przewagę nad krzemowymi tranzystorami, że pracują szybciej i są bardziej energooszczędne.

Zbudowany pod koniec 201 roku przez naukowców komputer jest bardzo prosty – zawiera tylko 178 tranzystorów (każdy zawierający od 10 do 100 węglowych nanorurek), pracuje pod kontrolą bardzo prostego systemu operacyjnego i może wykonywać jednocześnie dwa zadania (tryb multitasking). Pomimo to, komputer był w stanie wykonywać 20 różnych instrukcji, które wchodzą w skład standardowego pakietu instrukcji obsługujących komputery oparte na architekturze MIPS (Microprocessor without Interlocked Piped Stages). Tym samym prowadzone wcześniej badania (mające udowodnić, że komputery kolejnych generacji powinny zawierać tranzystory oparte na węglu, a nie na krzemie) zostały potwierdzone w praktyce.

Produkowane obecnie, węglowe nanorunki, nie są doskonałe i trzeba jeszcze nad nimi wiele popracować. Nie są np. ustawione względem siebie idealnie równolegle. Udaje się to w przypadku 99,5% nanorurek. Jednak wtedy, gdy układ zawiera miliardy nanorurek, nawet tak mały procent źle sparowanych nanorurek powoduje, że pojawiają się błędy. Drugi problem polega na tym, że niewielka część nanorurek zachowuje się jak metalowa ścieżka, która przewodzi cały czas prąd (a nie jak półprzewodnik).

To, iż eksperymentalny komputer zawiera tylko 178 węglowych tranzystorów wynika z faktu, że naukowcy wytwarzali je przy użyciu stosunkowo prostej, laboratoryjnej aparatury. Firmy produkujące układy scalone, dysponujące profesjonalnym sprzętem, są w stanie już obecnie projektować i wytwarzać dużo bardziej skomplikowane struktury oparte na węglowych nanorurkach. A wtedy komputer taki mógłby zawierać nieporównanie większą liczbę węglowych tranzystorów.

W wydanym przez IBM pod koniec 2012 roku oświadczeniu czytamy, że naukowcy IBM opracowali nową metodę "hurtowego" osadzania węglowych nanorurek na podstawie procesora. Dzięki niej możliwe jest jednorazowe, precyzyjne osadzenie ponad 10 tys. tranzystorów wykonanych z CNT. Oczywiście, IBM jest wciąż bardzo daleko od osiągnięcia parametrów porównywalnych z tworzeniem klasycznych krzemowych procesorów (w ich przypadku liczba tranzystorów osadzonych w pojedynczym chipie przekracza miliard) - ale koncern twierdzi, że mamy do czynienia z przełomem, po którym prace nad procesorami z CNT powinny znacząco przyspieszyć. Wśród ostatnich zapowiedzi IBM znaleźć można deklarację, że koncern do 2020 roku ruszy z produkcją sprawnych procesorów nowej generacji.

6 technologii rodem ze sci-fi, które są bliżej niż myślisz (5 z 6)

5. Fotonika krzemowa

Im więcej pasma przesyła się między mikroprocesorem, tym więcej potrzebuje on końcówek, co skutkuje coraz bardziej skomplikowanymi obudowami oraz wymaga budowy wielowarstwowych płytek drukowanych. Dzisiejsze procesoryczęsto mają od 1000 do 1200 pinów, niektóre zbliżają się do 2000 wyprowadzeń, co powoduje ograniczenia przy budowie wielowarstwowych płytek drukowanych i wydzielanie dużych ilości ciepła. Z kolei mało prawdopodobne jest podwyższenie przepustowości do 100 Gb/s, ponadto nawet taka prędkość nie rozwiąże problemów w przyszłości.

Naukowcy badają możliwość wykorzystania krzemowej fotoniki, by zlikwidować wąskie gardła transmisji danych wewnątrz układów scalonych. Pierwsze układy scalone już działają w laboratoriach. Zintegrowanie komponentów optycznych w układach scalonych nazywa się krzemową fotoniką i właśnie ta technologia być może umożliwi przyspieszenie transmisji danych. Informacja będzie przesyłana w wiązce światła laserowego, przy czym wiązki niosące różne dane mogą współdzielić tę samą ścieżkę (zazwyczaj jest nią światłowód), jeśli tylko różnią się długością fali nośnej. Ponadto ścieżka światłowodowa może posłużyć do transmisji danych na odległości liczone w kilometrach. Elementami fotoniki, które mają zastosowanie w budowie takich układów, są: modulatory, detektory i światłowody. Wedle wszelkich przewidywań łącza optyczne pobierają około dwa razy mniej energii od elektronicznych, przy czym będzie możliwa dalsza poprawa w tej dziedzinie.

Jedno z rozwiązań z zakresu fotoniki krzemowej zaorezentował w kwietniu tego roku Intel. Firma w trakcie Konferencji na temat Komunikacji Optycznej (OFC), która odbyła się w marcu w Kalifornii, zaprezentowałą kabel wykonany w standardzie MXC składający się z 64 włókien - po 32 do przesyłania i odbioru danych, o przepustowości 25 Gbit/s każde (czyli łącznie do 800 Gbit/s w jedną stronę!). Kabel może mieć długość maksytmalnie 300 metrów, jest też cieńszy oraz barziej wytrzymały od przewodów stosowanych obecnie.

6 technologii rodem ze sci-fi, które są bliżej niż myślisz (6 z 6)

6. Pamięć nowej generacji

Rewolucja nadchodzi też w podzespołach pamięci dedytkowanych do urządzeń, które trafiają już na rynek konsumencki. Już w tym roku na rynek trafią pamięci DDR4, które w porównaniu do DDR3, oferują mniejsze zużycie energii i szybszy transfer danych. Moduły DDR3 wymagają zwykle do pracy napięcia 1,5 V, podczas gdy DDR4 zadowalają się napięciem 1,2 V.Dodatkowo DDR4 obsługują nowy tryb zarządzania zasilaniem, dzięki któremu nie musi odbywać się proces odświeżania pamięci, gdy dane urządzenie przejdzie w stan czuwania.

Na horyzoncie są już takiże pamięci Hybrid Memory Cube opracowane przez firmę Micron, które oferują 15-krotnie większą przepustowość niż DDR3 oraz 5-krotnie większą niż DDR4 i zużywające przy tym o 70% mniej energii niż DDR3 i "nieco mniej" niż DDR4.

Hybrid Memory Cube zobaczymy już w zapowiadanych na przyszły rok procesorach Xeon Phi o kryptonimie Intel Knights Landing. Chip ma oferować wydajność na poziomie 3 teraflopów, czyli niemal trzy razy tyle co jego poprzednik, Knights Corner. Układ ma współpracować z 16 GB w technologii Hybrid Memory Cube Microna, co przełoży się na 15-krotnie wyższą przepustowość niż DDR3 5 razy wyższą niż DDR4, przy znacznie mniejszej ilości zajmowanego miejsca. Podobne rozwiązania wykorzyusta też Nvidia w swoim nadchodzącym procersorze Pascal GPU.