ΜΝΗΜΟΑΝΤΙΣΤΑΤΕΣ - ΜΝΗΜΟΠΥΚΝΩΤΕΣ - ΜΝΗΜΟΕΠΑΓΩΓΕΙΣ Δομικά υλικά για νέου τύπου ηλεκτρονικούς υπολογιστές

ΜΝΗΜΟΑΝΤΙΣΤΑΤΕΣ - ΜΝΗΜΟΠΥΚΝΩΤΕΣ - ΜΝΗΜΟΕΠΑΓΩΓΕΙΣ

Δομικά υλικά για νέου τύπου ηλεκτρονικούς υπολογιστές

Ολοι οι σύγχρονοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές έχουν ένα υποσύστημα που κάνει τους υπολογισμούς (CPU ή κεντρική μονάδα επεξεργασίας) και τουλάχιστον ένα ξεχωριστό υποσύστημα μνήμης (RAM για την προσωρινή καταχώρηση, σκληρός δίσκος για τη μόνιμη), που αποθηκεύει τα προγράμματα και τα δεδομένα. Η μπρος - πίσω διακίνηση των πληροφοριών (με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων) ανάμεσα σε αυτά τα υποσυστήματα, καταναλώνει πολύ χρόνο και Ενέργεια. Αυτό ισχύει για συσκευές που ξεκινούν από τα σύγχρονα τηλέφωνα και φτάνουν ως τους υπερυπολογιστές αξίας εκατοντάδων εκατομμυρίων.
Tο πέρα - δώθε των πληροφοριών μέσα σε έναν υπολογιστή γίνεται επειδή προς το παρόν οι μικροεπεξεργαστές δεν έχουν λειτουργικότητα μνήμης και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μνήμης δεν μπορούν να κάνουν υπολογισμούς. Τώρα όμως οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν μια τεχνική που να συνδυάζει και τις δύο λειτουργικότητες: ηλεκτρονικά κυκλώματα που να μπορούν να κάνουν υπολογισμούς και ταυτόχρονα να αποθηκεύουν το αποτέλεσμα. Για να το πετύχουν πρέπει να αντικαταστήσουν τα τρία βασικά ηλεκτρονικά στοιχεία από τα οποία κατασκευάζονται όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα, τους αντιστάτες, τους πυκνωτές και τους επαγωγείς, με «μνημοαντιστάτες» (memristors), «μνημοπυκνωτές» (memcapacitors) και «μνημοεπαγωγείς» (meminductors), όπως θα μπορούσε να ονομάσει κανείς αυτά τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, που θα θυμούνται την τελευταία κατάσταση λειτουργίας τους. Τέτοια ηλεκτρονικά στοιχεία υπάρχουν ήδη σε πειραματική μορφή και ίσως στο κοντινό μέλλον να συνδυαστούν για την κατασκευή μιας νέου τύπου μηχανής, που θα μπορούσε να αποκληθεί «μνημοϋπολογιστής» (memcomputer).

«Μαγικός» συνδυασμός

Οι μνημοϋπολογιστές θα είχαν καταπληκτική ταχύτητα εξαιτίας των διπλών τους δυνατοτήτων. Κάθε μέρος ενός μνημοϋπολογιστή θα βοηθούσε να υπολογιστεί η απάντηση σε ένα πρόβλημα, με ένα νέο, πιο αποδοτικό τρόπο ακόμα και σε σύγκριση με τη συμβατική παράλληλη επεξεργασία (από πολλούς συνδυασμένους υπολογιστές στους οποίους κατανέμεται ένα κομμάτι του δύσκολου προβλήματος). Επειδή τα δύσκολα προβλήματα θα λύνονται από την ίδια τη μνήμη του υπολογιστή και θα αποθηκεύονται απευθείας σε αυτή, θα εξοικονομούν όλη την ενέργεια που απαιτείται σήμερα για τη μεταφορά δεδομένων μέσα στον υπολογιστή. Αυτός ο νέος τύπος αρχιτεκτονικής θα άλλαζε τον τρόπο λειτουργίας όλων των υπολογιστών, από τα μικροσκοπικά τσιπ των τηλεφώνων, ως τους τεράστιους υπερυπολογιστές. Η αρχιτεκτονική αυτή προσομοιάζει με τον τρόπο που λειτουργεί ο ανθρώπινος εγκέφαλος, όπου οι ίδιοι οι νευρώνες κάνουν και την επεξεργασία και την αποθήκευση των πληροφοριών.
Οι μνημοϋπολογιστές θα χρειάζονταν μερικά δευτερόλεπτα για να κάνουν ορισμένους υπολογισμούς που σήμερα απαιτούν δεκαετίες και θα απαιτούσαν πολύ λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία τους. Ολοκληρωμένοι μνημοϋπολογιστές δεν έχουν κατασκευαστεί ακόμη, αλλά σχετικά πειράματα με τα κατάλληλα ηλεκτρονικά στοιχεία δείχνουν ότι πραγματικά θα μπορούσαν να συμβάλουν στην εξοικονόμηση ενέργειας και την απάντηση κρίσιμων επιστημονικών προβλημάτων.

Ενεργοβόρες μηχανές

Χρειάστηκε ελάχιστη ηλεκτρική ενέργεια και ένα κλάσμα του δευτερολέπτου για να διακινηθεί αυτή η πρόταση κειμένου ανάμεσα στα υποσυστήματα του ηλεκτρονικού υπολογιστή στον οποίο γράφτηκε. Αν, όμως το δει κανείς στο σύνολο όλων των υπολογιστών που υπάρχουν σήμερα, τότε τα μεγέθη γίνονται πολύ μεγάλα. Μόνο μεταξύ 2011 και 2012, οι ανάγκες των μεγάλων υπολογιστικών κέντρων ανά τον κόσμο για ηλεκτρική ενέργεια αυξήθηκαν κατά 58%. Και δεν είναι μόνο οι υπερυπολογιστές, αλλά και κάθε σύγχρονη ηλεκτρονική, ακόμα και ηλεκτρική συσκευή, που συχνά ενσωματώνει ένα μικρό υπολογιστή.
Στο σύνολό του ο κλάδος πληροφορικής και τηλεπικοινωνιών, καλύπτει περίπου το 15% της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρισμού. Εως το 2030 η παγκόσμια κατανάλωση ηλεκτρισμού από ηλεκτρονικές συσκευές που στοχεύουν τον τελικό καταναλωτή προβλέπεται ότι θα ισούται με τη συνδυασμένη κατανάλωση ηλεκτρισμού από οικιακούς καταναλωτές των ΗΠΑ και της Ιαπωνίας και θα έχει κόστος 200 δισεκατομμυρίων δολαρίων το χρόνο. Μπορεί σήμερα μεγάλο μέρος αυτής της Ενέργειας να καταναλώνεται, σε τελευταία ανάλυση, για να προάγεται η κερδοφορία των μονοπωλίων και ιδιαίτερα των μονοπωλίων του κλάδου πληροφορικής και επικοινωνιών, μέσω των διαφημίσεων και άλλων ωφελειών που προσφέρουν οι «δωρεάν» υπηρεσίες παγκόσμιας εμβέλειας (π.χ. κοινωνικά δίκτυα), αλλά δεν παύει η κατανάλωση των ηλεκτρονικών συσκευών, να αποτελεί πρόβλημα που θα διογκώνεται, καθώς θα αυξάνεται ο αριθμός και η διάδοση των ηλεκτρονικών συσκευών χρόνο με το χρόνο.
Περαιτέρω μείωση της κατανάλωσης μέσω περαιτέρω σμίκρυνσης των τρανζίστορ (θεμελιώδες συστατικό των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων) είναι πολύ αμφίβολη, καθώς τα ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα έχουν μάλλον ήδη πλησιάσει το όριο μεγέθους κάτω από το οποίο θα αρχίσουν να χάνουν τη λειτουργικότητά τους. Στο μεταξύ σύνθετα προβλήματα, όπως η ακριβέστερη μετεωρολογική πρόβλεψη, η ερευνητική αξιοποίηση τεράστιων βάσεων δεδομένων γενετικού κώδικα κ.λπ. απαιτούν όλο και μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ.

Ανυπέρβλητος

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος, από τον οποίο εμπνέονται οι ερευνητές της μνημοϋπολογιστικής, μπορεί, σύμφωνα με εκτιμήσεις, να πραγματοποιήσει 10 τετράκις εκατομμύρια υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο, χρησιμοποιώντας μόνο 10 έως 25 βατ ενέργειας! Ενας υπερυπολογιστής θα χρειαζόταν 10 εκατομμύρια φορές περισσότερη Ενέργεια για να κάνει το ίδιο έργο. Και φυσικά οι υπολογιστές βρίσκονται μακριά από την ικανότητα αναγνώρισης μοτίβων μέσα σε ένα πολυσύνθετο περιβάλλον με πολύ θόρυβο πληροφοριών, που έχει ο ανθρώπινος εγκέφαλος, πετυχαίνοντάς το μάλιστα με σχεδόν στιγμιαίο τρόπο.
Οι παραδοσιακοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές στηρίζονται στον καταμερισμό εργασίας μεταξύ των εξαρτημάτων τους, ώστε προγράμματα και δεδομένα να μην ανακατεύονται κατά την επεξεργασία με τρόπο που να αλλοιώνονται τα μεν, ή τα δε. Για να αποφευχθεί η αλλοίωση αυτή σε ένα μνημοϋπολογιστή, θα πρέπει τα επιμέρους ηλεκτρονικά στοιχεία των κυκλωμάτων του μνημοεπεξεργαστή του να «θυμούνται» το τελευταίο πράγμα που έκαναν, ακόμα και μετά τη διακοπή της παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτό ακριβώς κάνουν τα «μνημοηλεκτρονικά» (βλ. διάγραμμα).
Οπως αποδείχτηκε σε προσομοιώσεις, ένας μνημοϋπολογιστής μπορεί να λύσει π.χ. ένα πρόβλημα εξόδου από λαβύρινθο εξαιρετικά γρήγορα. Αν τοποθετούνταν (εικονικά) ένας μνημοαντιστάτης σε κάθε γωνία του λαβυρίνθου, σε κατάσταση μεγάλης αντίστασης και εφαρμοζόταν διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην είσοδο και την έξοδο του λαβυρίνθου, τότε το ρεύμα θα περνούσε μόνο μέσα από το μονοπάτι της λύσης, καθώς θα εμποδιζόταν από την ασυνέχεια των άλλων μονοπατιών. Περνώντας από τους μνημοαντιστάτες θα άλλαζε την αντίστασή τους. Οταν σταματούσε να εφαρμόζεται η διαφορά τάσης, η λύση εξόδου από το λαβύρινθο θα ήταν αποθηκευμένη με τη μορφή μικρότερων αντιστάσεων στο μονοπάτι των αντιστατών που οδηγεί από την είσοδο στην έξοδο. Η λύση θα είχε υπολογιστεί και αποθηκευτεί σε μια κίνηση. Ολοι οι μνημοαντιστάτες θα την είχαν υπολογίσει παράλληλα και στιγμιαία.
Πέρα από τις μακρόχρονες δοκιμές που απαιτούνται σε επίπεδο υλικού, ώστε να εξασφαλιστεί ότι τα «μνημοηλεκτρονικά» κυκλώματα αντέχουν στο χρόνο χωρίς να αλλοιώνονται τουλάχιστον όσο και τα συμβατικά, ένα μεγάλο πρόβλημα που θα πρέπει να αντιμετωπιστεί πριν τη διάδοσή τους είναι η δημιουργία νέου λογισμικού που θα μπορεί να τα αξιοποιεί. Σήμερα δεν υπάρχει ούτε καν ένα υποτυπώδες λειτουργικό σύστημα για τη λειτουργία μνημοϋπολογιστών, πόσο μάλλον όλα τα στρώματα λογισμικού που χρειάζονται στην παραγωγή συστημάτων πληροφορικής και τηλεπικοινωνιών.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»