Maskindrømme

Der er en helligdom inde i Hewlett-Packards hovedkvarter i Palo Alto, i hjertet af Silicon Valley. I den ene kant af HPs forskningsbygning er to indbyrdes forbundne rum med slidte møbler fra midten af ​​århundredet, ledige i årtier, omhyggeligt bevaret. Fra disse kontorer førte William Hewlett og David Packard HPs ingeniører til at opfinde banebrydende produkter, såsom den programmerbare regnemaskine på 40 pund, skrivemaskinestørrelse, der blev lanceret i 1968.

udefineret

Denne historie var en del af vores maj 2015-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I nutidens æra med smartphones og cloud computing kan HPs kerneprodukter også se forældede ud inden længe. Omsætning og overskud er faldet markant i de seneste år, hvilket har sat virksomheden i krise. HP støttes hovedsageligt af salg af servere, printere og blæk (dets pc'er og bærbare computere bidrager med mindre end en femtedel af det samlede overskud). Men virksomheder har mindre behov for servere nu, hvor de kan henvende sig til cloud-tjenester, der drives af virksomheder som Amazon – der køber deres hardware fra billigere leverandører end HP. Forbrugere og virksomheder stoler meget mindre på printere, end de gjorde engang, og forventer ikke at betale meget for dem.

HP har mistet over 40.000 arbejdspladser siden 2012, og det vil opdeles i to mindre, men lignende urolige virksomheder senere på året (en operation, der i sig selv vil koste næsten 2 milliarder dollars). HP Inc. vil sælge printere og pc'er; Hewlett Packard Enterprise vil tilbyde servere og informationsteknologitjenester til virksomheder. Sidstnævnte selskab vil i høj grad afhænge af en division, hvis årlige omsætning faldt med mere end 6 procent mellem 2012 og 2014. Indtjeningen faldt endnu hurtigere, med over 20 procent. IBM, HPs nærmeste rival, solgte sidste år sin servervirksomhed til Kinas Lenovo under lignende pres.

Og alligevel, midt i denne potentielt eksistentielle krise, arbejder HP Enterprise på et risikabelt forskningsprojekt i håb om at drive et bemærkelsesværdigt comeback. Næsten tre fjerdedele af folkene i HP's forskningsafdeling er nu dedikeret til et enkelt projekt: en kraftfuld ny slags computer kendt som maskinen. Det ville grundlæggende redesigne den måde, computere fungerer på, og gøre dem enklere og mere kraftfulde. Hvis det virker, kan projektet dramatisk opgradere alt fra servere til smartphones – og redde HP selv.

Folk vil være i stand til at løse problemer, de ikke kan løse i dag, siger Martin Fink, HPs teknologichef og initiativtager til projektet. Maskinen ville give virksomheder magten til at håndtere datasæt mange gange større og mere komplekse end dem, de kan håndtere i dag, siger han, og udføre eksisterende analyser måske hundredvis af gange hurtigere. Det kan føre til spring frem på alle mulige områder, hvor det er vigtigt at analysere information, såsom genomisk medicin, hvor hurtigere gensekventeringsmaskiner producerer en mængde nye data. Maskinen vil kræve langt mindre elektricitet end eksisterende computere, siger Fink, hvilket gør det muligt at skære ned på de store energiregninger, der løber op af lagrene af computere bag internettjenester. HPs nye model til computere er også beregnet til at gælde for mindre gadgets, så bærbare computere og telefoner holder meget længere på en enkelt opladning.

Det ville være overraskende for enhver virksomhed at genopfinde det grundlæggende design af computere, men især for HP at gøre det. Det skar forskningsjobs ned som led i nedskæringsindsatsen for ti år siden og bruger meget mindre på forskning og udvikling end sine konkurrenter: 3,4 milliarder dollars i 2014, 3 procent af omsætningen. Til sammenligning brugte IBM 5,4 milliarder dollar - 6 procent af omsætningen - og har en meget længere tradition for den slags grundforskning i fysik og datalogi, som det vil kræve at skabe den nye type computer. For at Fink's Machine-drøm skal blive fuldt ud realiseret, skal HP's ingeniører skabe systemer af lasere, der passer ind i computerchips i fingerspidsstørrelse, opfinde en ny slags operativsystem og perfektionere en elektronisk enhed til lagring af data, der aldrig før har været brugt i computere. .

At klare det ville være en virtuos bedrift af både computer- og virksomhedsingeniør.

Ny plan

I 2010 drev Fink HP-divisionen, der sælger højtydende virksomhedsservere og følte sig lidt paranoid. Kunder strømmede til startups, der tilbød datalagring baseret på hurtige, energieffektive flashhukommelseschips som dem inde i smartphones. Men HP solgte kun den langsommere, etablerede lagringsteknologi fra harddiske. Vi reagerede ikke aggressivt nok, siger Fink. Jeg var frustreret over, at vi ikke tænkte langt nok ind i fremtiden.

I et forsøg på at se en måde at springe fremad, undrede han sig: hvorfor ikke bruge nye former for hukommelse, ikke bare til at opgradere datalagring, men til helt at genopfinde computere? Fink vidste, at forskere hos HP og andre steder arbejdede på nye hukommelsesteknologier, der lovede at være meget hurtigere end flash-chips. Han og hans cheftekniske rådgiver udarbejdede en plan, der ville bruge disse teknologier til at gøre computere langt mere kraftfulde og energieffektive.

Et internt papir om den idé, med virksomhedens titel Unbound Convergence, gik ingen vegne. Men da Fink blev udnævnt til HPs teknologichef og leder af HP Labs to år senere, så han en chance for at genoplive sit forslag. Da jeg så på alle holdene i Labs, kunne jeg se, at brikkerne var der, siger han. Specielt arbejdede HP på en konkurrent til at flashe, baseret på en enhed kaldet memristor. Selvom memristoren stadig var under udvikling, så det ud for Fink, som om den en dag ville være hurtig nok og gemme data tæt nok til at gøre hans plan realiserbar. Han opdaterede sit tidligere forslag og gav computeren et navn, som han troede ville være midlertidigt: Maskinen. Det sad fast.

Maskinen er et forsøg på at opdatere det design, der har defineret computernes indvolde siden 1970'erne. Grundlæggende flytter computere konstant data frem og tilbage mellem forskellige stykker hardware, der indeholder information. En, kendt som lagring, opbevarer dine fotos og dokumenter plus computerens operativsystem. Den består af harddiske eller flash-hukommelseschips, som kan passe en masse data ind i et lille rum og beholde det uden strøm (ingeniører kalder det ikke-flygtig hukommelse). Men både harddiske og flash-chips læser og skriver data meget langsomt i forhold til det tempo, som en computers processor kan arbejde på. Når en computer skal have noget gjort, skal dataene kopieres ind i korttidshukommelsen, som bruger en teknologi 10.000 eller flere gange hurtigere: DRAM (dynamic random-access memory). Denne type hukommelse kan ikke gemme data meget tæt og bliver tom, når den slukkes.

Det to-lags system med lagring og hukommelse betyder, at computere bruger meget tid og energi på at flytte data frem og tilbage bare for at komme i stand til at bruge dem. Det er derfor, din bærbare computer ikke kan starte op med det samme: Operativsystemet skal hentes fra lageret og indlæses i hukommelsen. En begrænsning for batterilevetiden på din smartphone er dens behov for at bruge energi på at holde data i live i DRAM, selv når den er i tomgang i lommen.

Det er måske blot et irritationsmoment for dig, men det er en dyr hovedpine for folk, der arbejder på computere, der laver den slags kraftige tal-knusning, som er ved at blive så vigtig i alle slags industrier, siger Yuanyuan Zhou , en professor ved University of California, San Diego, som forsker i lagringsteknologier. Folk, der arbejder med datatunge problemer, er begrænset af den traditionelle arkitektur, siger hun. HP anslår, at omkring en tredjedel af koden i et typisk stykke dataanalysesoftware udelukkende er dedikeret til at jonglere med lager og hukommelse, ikke til opgaven. Dette begrænser ikke kun ydeevnen. At skulle overføre data mellem hukommelse og lager bruger også betydelig energi, hvilket er en stor bekymring for virksomheder, der kører store samlinger af servere, siger Zhou. Virksomheder som Facebook bruger millioner på at forsøge at skære ned på de enorme strømregninger for deres lagre af computere.

Maskinen er designet til at overvinde disse problemer ved at kassere skelnen mellem lager og hukommelse. Et enkelt stort lager af hukommelse baseret på HP's memristorer vil både holde data og gøre det tilgængeligt for processoren. At kombinere hukommelse og lagring er ikke en ny idé, men der har endnu ikke været en ikke-flygtig hukommelsesteknologi, der er hurtig nok til at gøre det praktisk, siger Tsu-Jae King Liu, en professor, der studerer mikroelektronik ved University of California, Berkeley. Liu er rådgiver for Crossbar, en startup, der arbejder på en memristor-lignende hukommelsesteknologi kendt som resistiv RAM. Det og en håndfuld andre virksomheder udvikler teknologien som en direkte erstatning for flashhukommelse i eksisterende computerdesigns. HP er dog alene om at sige, at deres enheder er klar til at ændre computere mere radikalt.

For at få maskinen til at fungere så godt, som Fink forestiller sig, er HP nødt til at skabe memristor-hukommelseschips og en ny slags styresystem, der er designet til at bruge et enkelt kæmpelager af hukommelse. Finks plan kræver også to andre afvigelser fra det sædvanlige computerdesign. Den ene er at flytte data mellem maskinens processorer og hukommelse ved hjælp af lysimpulser sendt over optiske fibre, et hurtigere og mere energieffektivt alternativ til metalledninger. Den anden er at bruge grupper af specialiserede energieffektive chips, såsom dem, der findes i mobile enheder, i stedet for individuelle, generelle processorer. Lavenergiprocessorerne, lavet af virksomheder som Intel, kan købes fra hylden i dag. HP skal opfinde alt andet.

Hovederhverv

Ingen har bygget et fundamentalt nyt operativsystem i årtier. I mere end 40 år er hvert nyt operativsystem faktisk blevet bygget eller modelleret efter et, der kom før, siger Rich Friedrich, direktør for systemsoftware til maskinen. Akademisk forskning i operativsystemer har været minimal, fordi eksisterende systemer er så dominerende.

Friedrichs og hans kollegers arbejde bliver afgørende. Softwaren skal sammensætte Maskinens forskellige usædvanlige komponenter til et pålideligt system i modsætning til enhver anden computer, der nogensinde er bygget. Gruppen skal også hjælpe med at markedsføre den computer. Hvis operativsystemet ikke ser attraktivt ud for andre virksomheder og programmører, vil Maskinens tekniske fordele være irrelevante. Af den grund arbejder HP på to nye styresystemer på samme tid. Den ene er baseret på det meget brugte Linux-system og vil blive frigivet til sommer sammen med software til at efterligne den hardware, den skal bruge for at køre. Linux++, som det kaldes, kan ikke udnytte maskinens kraft fuldt ud, men vil være kompatibel med de fleste eksisterende Linux-software, så programmører nemt kan prøve det. De, der kan lide det, vil være i stand til at træde op til HPs andet nye styresystem, Carbon, som ikke vil være færdigt i to år eller mere. Den vil blive udgivet som open source, så enhver kan inspicere eller ændre dens kode, og den bliver designet fra bunden til at frigøre den fulde kraft af en computer uden opdeling mellem lager og hukommelse. Ved at starte fra bunden, siger Friedrich, vil dette operativsystem fjerne al den kompleksitet, forårsaget af mange års opdateringer oven i opdateringer, som fører til nedbrud og sikkerhedssvagheder.

Tests med det, der er tættest på en fungerende version af maskinen – en simulering, der kører inde i en klynge af kraftfulde servere – antyder, hvad Carbon og den nye computer muligvis kan levere, når den er op og kører. I et forsøg kørte den simulerede maskine og en konventionel computer for at analysere et foto og søge i en database med 80 millioner andre billeder for at finde de fem, der lignede mest visuelt. Den hyldevare, kraftige HP-server fuldførte opgaven på cirka to sekunder. Den simulerede maskine havde kun brug for 50 millisekunder.

Håndtering af sådanne opgaver titusindvis eller hundredvis af gange hurtigere – med samme energiforbrug – kan være en afgørende fordel på et tidspunkt, hvor flere og flere computerproblemer involverer enorme datasæt. Hvis du får sekventeret dit genom, tager det timer for en kraftfuld computer at forfine de rå data til den færdige sekvens, der kan bruges til at granske dit DNA. Hvis maskinen forkortede denne proces til minutter, kunne genomisk forskning bevæge sig hurtigere, og sekventering kan være lettere at bruge i medicinsk praksis. Sharad Singhal, der leder HP's dataanalyseforskning, forventer særligt slående forbedringer for problemer, der involverer datasæt i form af en matematisk graf - hvor entiteter er forbundet af et net af forbindelser, ikke organiseret i rækker og kolonner. Eksempler inkluderer forbindelserne mellem personer på Facebook eller mellem personer, fly og tasker, der flyttes rundt af et flyselskab. Og vilde nye applikationer vil sandsynligvis dukke op, når maskinen fungerer for alvor. Teknikker, som vi ville kassere som upraktiske, bliver pludselig praktiske, siger Singhal. Folk vil tænke på måder at bruge denne teknologi på, som vi ikke kan komme i tanke om i dag.

Perfektion af memristoren er afgørende, hvis HP skal levere på dette slående potentiale. Det arbejde er centreret i et lille laboratorium, en etage under HP's grundlæggeres kontorer, hvor Stanley Williams fik et gennembrud for omkring et årti siden.

Hvis alt går efter planen, vil Hewlett Packard Enterprise være fem år gammel, når den første version af maskinen kan komme den til undsætning.

Williams kom til HP i 1995, efter at David Packard besluttede, at virksomheden skulle lave mere grundlæggende forskning. Han kom til at fokusere på at forsøge at bruge organiske molekyler til at lave mindre, billigere erstatninger for siliciumtransistorer (se Computing After Silicon, september/oktober 1999). Efter et par år kunne han lave enheder med den rigtige slags switchlike adfærd ved at klemme molekyler kaldet rotaxaner mellem platinelektroder. Men deres præstation var sindssygt uberegnelig. Det tog årevis mere arbejde, før Williams indså, at molekylerne faktisk var irrelevante, og at han var snublet ind i en stor opdagelse. Skifteeffekten kom fra et lag titanium, brugt som lim til at klæbe rotaxanlaget til elektroderne. Mere overraskende var det, at versioner af enheder bygget op omkring dette materiale opfyldte en forudsigelse lavet i 1971 af en helt ny slags grundlæggende elektronisk enhed. Da Leon Chua, en professor ved University of California, Berkeley, forudsagde eksistensen af ​​denne enhed, mente teknisk ortodoksi, at alle elektroniske kredsløb skulle bygges ud fra kun tre grundlæggende elementer: kondensatorer, modstande og induktorer. Chua beregnede, at der skulle være en fjerde; det var ham, der kaldte det memristor, eller modstand med hukommelse. Enhedens væsentlige egenskab er, at dens elektriske modstand - et mål for, hvor meget den hæmmer strømmen af ​​elektroner - kan ændres ved at påføre en spænding. Den modstand, en slags hukommelse af den spænding, enheden oplevede tidligere, kan bruges til at kode data.

Packard og Hewlett i 1964.

HPs seneste manifestation af komponenten er enkel: kun en stak tynde film af titaniumdioxid på et par nanometer tyk, klemt mellem to elektroder. Nogle af lagene i stakken leder elektricitet; andre er isolatorer, fordi de er udtømt for iltatomer, hvilket giver enheden som helhed høj elektrisk modstand. Påføring af den rigtige mængde spænding skubber iltatomer fra et ledende lag ind i et isolerende, hvilket tillader strømmen at passere lettere. Forsker Jean Paul Strachan demonstrerer dette ved at bruge sin mus til at klikke på en knap markeret 1 på sin computerskærm. Det får en smal strøm af oxygenatomer til at flyde kortvarigt inde i et lag titaniumdioxid i en memristor på en nærliggende siliciumwafer. Vi har lige skabt en bro, som elektroner kan rejse igennem, siger Strachan. Tallene på hans skærm indikerer, at enhedens elektriske modstand er faldet med en faktor tusind. Når han klikker på en knap mærket 0, trækker iltatomerne sig tilbage, og enhedens modstand stiger igen. Modstanden kan skiftes sådan på blot picosekunder, omkring tusind gange hurtigere end de grundlæggende elementer i DRAM og ved at bruge en brøkdel af energien. Og afgørende er, at modstanden forbliver fast, selv efter at spændingen er slukket.

Da Williams annoncerede memristoren i 2008, begyndte det, hvad han nu kalder en rutsjebanetur, fordi grundforskningsresultatet hurtigt udviklede sig til at blive et afgørende udviklingsprojekt for HP. Nogle gange kan adrenalinen være lidt overvældende, siger han. Memristors har været hans teams primære beskæftigelse siden 2008, og i 2010 meddelte HP, at det havde indgået en aftale med den sydkoreanske hukommelseschipproducent SK Hynix om at kommercialisere teknologien. På det tidspunkt var HP fokuseret på at få memristorer til at erstatte flashhukommelse i konventionelle computere. Så, i 2012, lagde Fink mere pres ved at sætte memristorer i hjertet af hans plan for maskinen.

Risikofyldt forretning

Brug af memristorer, hvad enten det er som erstatning for flashhukommelse eller som grundlag for maskinen, ville kræve at pakke dem ind i hukommelseschips, der kombinerer en tæt række af enhederne med konventionelle siliciumkontrolkredsløb. Men sådanne chips findes ikke i øjeblikket. Og det er ikke klart, hvornår HP vil være i stand til at få fat i nogen. Det er op til en chipproducent som SK Hynix at udvikle pålidelige memristor-chips, der passer til dens produktionslinjer. Indtil videre sender den HP siliciumwafers med memristorer, der kan testes individuelt, ikke bruges i en computer.

Fink og Williams siger, at de første prototypehukommelseschips kunne ankomme næste år. (Tidligere udtalelser fra Williams fik det til at se ud som om teknologien ville komme på markedet i 2013, men han og Fink siger, at disse bemærkninger blev fejlfortolket.) En talsmand for Hynix, Heeyoung Son, afviste at kommentere på, om 2016 er gennemførligt. Der er ingen specifik tidslinje, sagde han. Det vil tage noget tid at nå det.

Top, et nærbillede af memristorer på en siliciumwafer. Nedenfor en detalje i en prototype af maskinen.

Edwin Kan , en professor ved Cornell University, der arbejder med hukommelsesteknologi, siger, at fremskridt med memristorer og lignende enheder så ud til at gå i stå, da virksomheder forsøgte at integrere dem i tætte, pålidelige chips. Det ser lovende ud, men det har set lovende ud for længe, ​​siger han.

Dmitri Strukov, en af ​​Williams tidligere samarbejdspartnere hos HP, siger, at memristorer endnu ikke har bestået en nøgletest. Strukov, en assisterende professor ved University of California, Santa Barbara, og hovedforfatter på avisen fra 2008, der annoncerer memristoren, siger, at selvom tekniske publikationer udgivet af HP og SK Hynix har vist, at individuelle memristorer kan skiftes billioner af gange uden at fejle, det er endnu ikke klart, at store arrays fungerer på samme måde. Det er ikke-trivielt, siger han.

Stanley Williams siger, at memristoren vil tilbyde en uovertruffen kombination af hastighed, tæthed og energieffektivitet.

Omgivet af prototype memristorer i sit laboratorium, siger Williams muntert, at hans tillid til teknologien forbliver høj. Hvis jeg havde troet, at der kom noget andet, der var bedre, var jeg hoppet på det på et femtosekund, siger han. Williams holder et diagram på væggen, der opsummerer konkurrencen fra en håndfuld andre hukommelsesteknologier, som virksomheder, inklusive IBM og Samsung, placerer som erstatninger for flash. Disse virksomheder og HP er på lignende stadier: Der rapporteres om fremskridt, selvom den kommercielle fremtid for deres enheder er uklar. Men Williams siger, at ingen af ​​de andre teknologier har en så god kombination af hastighed, tæthed og energieffektivitet som memristorer. Selvom den første generation af memristor-chips endnu ikke er blevet introduceret, kigger hans gruppe allerede på måder, hvorpå efterfølgende generationer kan pakke flere og flere data ind. Disse omfatter stabling af memristorer op i lag og lagring af mere end en enkelt bit i hver memristor.

I laboratoriet ved siden af ​​arbejder forskere på optiske dataforbindelser, der er kompakte nok til at forbinde komponenterne inde i en computer. Men dette projekt er på et endnu tidligere stadie. HPs ingeniører kan vise en siliciumwafer, der er dækket af bittesmå lasere, hver en fjerdedel af bredden af ​​et menneskehår, og bruge dem til at pulsere lys ned i slanke optiske fibre. Laserne er beregnet til at blive pakket i små chips og tilføjet til maskinens printkort for at forbinde dens hukommelse og processorer. Eksisterende computere bruger metalledninger til det, fordi konventionel optisk forbindelsesteknologi er for omfangsrig. Fink forventer, at dette er den sidste af maskinens komponenter, der er klar omkring slutningen af ​​årtiet.

Når den tid kommer, kan den første fulde version af maskinen lejes ud, så virksomheder eller universiteter kan få fjernadgang til dataanalyse i stor skala, siger Fink. Kort efter vil servere i maskinstil være tilgængelige at købe. Arbejdet vil også begynde med at nedskalere den nye computer til brug i andre typer enheder, såsom bærbare computere, smartphones og endda kabel-tv-bokse, siger han.

Hvis alt går efter planen, vil Hewlett Packard Enterprise være fem år gammel, når den første version af maskinen kan komme den til undsætning. Men markedet er måske ikke meget mere imødekommende, end det er for HPs eksisterende forretning i dag.

Nye computerteknologier har en tendens til at starte dyrt og vanskeligt at bruge. Interessen for HP’s servere er aftagende, fordi cloud-tjenester tilbyder virksomheder det stik modsatte – et billigere og nemmere alternativ til tjenester, der engang skulle bygges internt. Selv virksomheder, der køber deres egne servere, vil sandsynligvis blive ved med at se betydelige præstationsforbedringer fra konstante opgraderinger af teknologier som netværk og lagring i flere år, siger Doug Burger , seniorforsker hos Microsoft. Et rent ark er fantastisk, fordi man får omdefineret alt, men man skal omdefinere alt, siger han. Disruptive, vellykkede projekter i meget komplekse systemarkitekturer er ret sjældne.

Fink hævder, at hans forskere kan skabe værktøjer, der letter processen med at migrere til computerens mærkelige nye fremtid. Og han tror, ​​virksomheder vil blive mere åbne over for at tage en ny platform til sig, efterhånden som trinvise opgraderinger til konventionelle computere begynder at give et faldende afkast.

Lidt paradoksalt nok siger Fink også, at udsigten til overhovedet at undlade at levere Maskinen ikke generer ham. HP kan falde tilbage på at sælge memristor-chips og fotoniske forbindelser som måder at opgradere den fejlbehæftede arkitektur på nutidens computere, siger han - selvom HP ikke er i branchen med at fremstille komponenter i dag. Vi vinder meget ved at gøre det her, siger han. Det er ikke alt eller intet.

HPs kampe synes at antyde lige det modsatte.

skjule