Elektroniikka saa valohoitoa

Kim Leidenius

Elektroniikka saa valohoitoa

Perinteinen piiri­tekniikka on tulossa tiensä päähän. Sähkö on korvattava valolla myös piirien sisällä, jos Mooren laista halutaan pitää kiinni.

Elektroniikasta on tulossa riippakivi tietokoneiden kehitykselle. Tiedon siirrossa valokuitu on ylivoimainen, mutta reitityksen ajaksi valopulssit on edelleen muunnettava sähköisiksi. Sen jälkeen tieto muunnetaan takaisin valoksi ja lähetetään takaisin kuituun.

Reitittimissä tehtävä muunnos synnyttää viivettä, koska kapeat kuparijohtimet kuristavat bittien kulkua ja häviöt kuumentavat piirejä. Jos muunnosta ei tarvitsisi tehdä, viiveet ja energiankulutus pienenisivät. Valoa ei toistaiseksi voi tallentaa muistiin, mutta uusien optisten komponenttien myötä tilanne saattaa muuttua.

Valon aallonpituus vaikuttaa sen kulkunopeuteen monissa kiteisissä aineissa. Punaisen valon fotonit liikkuvat aineessa yleensä hitaammin kuin sinisen valon. Kytkin, jonka tehtävänä on lomittaa kaksi tietovirtaa, voisi periaattessa toteuttaa sen värien valinnalla. Edelle ajettava data lähetettäisiin viileämmällä värisävyllä ja hidastettava lämpimämmällä.

Tarkasti värityt paketit saapuisivat siistissä jonossa kiteen toisesta päästä, jossa aallonpituudet palautettaisiin jälleen kuidulle sopivammiksi.

Etelä-Kalifornian yliopiston tutkijat ovat tällä tavoin kyenneet hidastamaan valoa jo 0,1 mikrosekuntia. Tavoitteena on viiden mikrosekunnin viive, joka sadan gigabitin kytkimessä vastaisi puolen megabitin puskurimuistia.

Helpotusta bittiruuhkaan

Elektroniikan kehitys on yli neljänkymmenen vuoden ajan noudattanut Mooren eksponentiaalisen kasvun lakia. Jollei merkittäviä teknisiä läpilyöntejä tapahdu, kehitys kuitenkin laantuu prosessorivalmistaja Intelin arvion mukaan vuoden 2018 jälkeen.

Piirien suorituskyvyn pullonkaulaksi ovat muodostumassa ohuet kuparijohtimet, jotka nykyään yhdistävät mikropiirien osat toisiinsa. Vaikka johtimet piirin eri osien välillä ovat vain muutaman millimetrin pituisia, elektronit näkevät ne niiden ohuuden vuoksi kuin ahtaina katukuiluina ruuhka-aikaan. Tiedon siirtäminen hyvällä hyötysuhteella tukkoisia putkia pitkin on vaikeaa. Kaista on liian kapea eikä kupari pysty venymään tulevien moniytimisten suorittimien vaatimuksiin.

Samoin kuin verkkotekniikassa, optiset kaapelit ovat syrjäyttämässä kuparisia myös piiritasolla. Ne siirtävät enemmän tietoa pienemmällä teholla.

Tulevaisuuden mikropiireissä valo kulkee aaltojohtimessa, joka on kuin minikokoinen optinen kuitu, mutta tässä mittakaavassa se on valmistettu lasin sijaan piistä.

Piin käyttö helpottaa valmistusta, koska materiaali on sama kuin puolijohteissa muutenkin. Piitä voidaan käyttää valon ohjaamisessa, paikallistamisessa, moduloinnissa ja jopa vahvistamisessa. Hyvää tapaa tuottaa valoa ei kuitenkaan ole vielä löytynyt. Huomattavasta tutkimuspanostuksesta huolimatta piipohjaisissa lasereissa ei ole ylletty merkittäviin hyötysuhteisiin ja tutkijoiden odotuksetkin ovat hyvin varovaisia.

Eurooppalaiset tutkijat ovat panostaneet iridium-fosfaatti-pohjaisiin lasereihin, joita he ovat onnistuneet rakentamaan jo useita tuhansia neljän neliömillimetrin kokoiselle piirille. Yhden laserin koko on vain seitsemän mikrometriä. Kyseessä on ensimmäinen kerta, kun niitä on onnistuttu valmistamaan massatuotantona hyvin edullisesti.
Tavoitteena on rakentaa piirilevyn pinnalle erillinen yhteyskerros, joka optisena on nykyistä vähemmän herkkä häiriöille ja lämpötilalle, ja joka lisäksi kuluttaa nykyistä vähemmän virtaa.

Terabitti nanokytkimillä

Piinanofotoniikaksi nimetty teknologia korvaa osan sirun johtimista pienissä valojohteissa kulkevilla pulsseilla. Sen avulla voidaan siirtää tietoa muutaman senttimetrin etäisyyksiin asti. IBM arvioi, että valopulsseilla voidaan siirtää yli sata kertaa enemmän tietoa kuin elektroneilla kuparijohtimissa. Samalla piirin tehonkulutus ja lämmöntuotanto on vain kymmenesosa aiemmasta.

Suorittimen ytimien välinen viestintä tapahtuu samaan tapaan kuin optisessa verkkotekniikassa. Kokoluokka vain on toinen. IBM:n tutkijoiden rakentaman kytkimen koko on sadasosa ihmisen hiuksen halkaisijasta. Neliömillin alalle niitä mahtuisi 2000 kappaletta.

Kytkin pystyy käsittelemään samanaikaisesti useita aallonpituuksia, joista kullakin voidaan kuljettaa tietoa 40 gigabittiä sekunnissa. Yhteensä nanokytkin yltää jopa terabitin sekuntinopeuteen.

Kytkin on tärkeä komponentti tulevissa, jopa satoja ytimiä sisältävissä suorittimissa. Se ohjaa ytimien välillä liikkuvia tietomassoja. Ytimet ovat hyödyttömiä, jos tiedonsiirto niiden välillä takkuaa.

Solitonit korvaavat elektronit

Valopulsseista tutkijoiden mielenkiinto on kohdistunut solitoneihin, joilla on tavanomaisista valoaalloista poikkeavia ominaisuuksia.

Normaalisti valo siroaa ja taittuu siten, että se vähitellen hajoaa avaruuteen. Hyvin lyhyillä ja intensiivisillä pulsseilla epälineaariset efektit saattavat kuitenkin täysin kumota pulssin hajoamisen, jolloin valo etenee luodin tavoin. Solitonit ovat siirtyneet optisissa kuiduissa virheettömästi jopa tuhansia kilometrejä.

Solitoni on itseään vahvistava aaltopaketti, joka voi syntyä epälineaarisessa väliaineessa. Yksinäisiä muuttumattomana liikkuvia aaltoja voi luonnossa havaita esimerkiksi kanaaleissa ja matalissa rantavesissä. Aaltopaketti ei tavanomaisen aallon tapaan nouse eikä vaivu, vaan etenee tiiviinä muodostelmana.

EU:n rahoittamassa Funfacs-projektissa on tutkittu solitonien käyttäytymistä ja kyetty synnyttämään ja sammuttamaan niitä. Tietotekniikan kielellä kyse on käytännössä tallentamisesta ja lukemisesta. Sopivasti lähelle toisiaan tuotuina solitonit voivat yhtyä eräänlaiseksi molekyyliksi tai vaimeta täysin. Näistä ominaisuuksista voidaan periaatteessa koota perinteisen elektronisen transistorin kaltainen toiminto, joka mahdollistaisi täysin optisen mikropiirin.

Solitonit voivat sekä kuljettaa tietoa että käsitellä sitä. Toisin kuin elektroniikassa, jossa portit ovat siellä, minne ne on valmistuksessa sijoitettu, solitoneja voidaan liikuttaa. Tämä avaa tien aivan uudenlaiseen tietokonearkkitehtuuriin, johon siirtyminen olisi suurempi mullistus kuin siirtyminen putkista transistoreihin.

One laptop per child -hanke on esitellyt konseptin vuoden 2010 XO-2-mallista. Vapaaehtoisvoimin toimiva ryhmä suunnittelee erittäin edullista tietokonetta kehitysmaiden lapsille. YK:n tavoitteena on saada mikro maailman jokaisen 6 –12-vuotiaan lapsen ulottuville vuoteen 2015 mennessä.

Uudessa mallissa näppäimistö on korvattu toisella kosketusnäytöllä. Siinä voidaan esittää näppäimistön kuva tai laite voidaan kääntää pystyasentoon kirjaksi. Kahden näytön tila voidaan hyödyntää myös yhtenä isona ruutuna.

Tavoitteena on integroida kosketusherkkä elektroniikka samalle lasipinnalle, jossa näytön kuvapisteet ovat. Näin voidaan useamman sormen kosketus toteuttaa hyvin pienellä lisäkustannuksella. Näyttötekniikkaa kehittävä Pixel Qi uskoo kosketuspaneelien hinnan olevan puristettavissa 4–7 euroon.

Näyttömuisti on valmistettu samalle paneelille kuin itse näyttö, jolloin suoritin ja emolevy voidaan sammuttaa, kun mikroa luetaan kirjana.

Projektia johtava Nicholas Negroponte pitää laitteen kirjamuotoa tärkeänä, koska kehitysmaissa oppikirjat maksavat kymmenisen euroa vuodessa. Mikron hinta pyritään saamaan isoissa erissä 50 euroon.

Robotti ylle

Aseteollisuusjätti Raytheon esitteli sotilaiden käyttöön kehitettyä ulkoista tukirankaa. Sen tarkoituksena on parantaa käyttäjän suorituskykyä yli ihmisen fysiikan rajojen.

Ulkoinen tukiranka moninkertaistaa voiman ja kestävyyden jopa kaksikymmentäkertaiseksi. Se tunnistaa liikkeet jäsenistä ja voimistaa jokaista liikettä miltei välittömästi, jolloin ketteryys ei kärsi juuri lainkaan. Ohjaustavasta johtuen puku on silti aina hitaampi kuin sen sisällä oleva ihminen.

Armeijan visiona on sotilas, joka taistelisi robottitukirangan vahvistamana. Siihen 70-kiloinen puku on kuitenkin vielä epäkäytännöllinen. Suurin este kenttäkäytölle on virrankulutus. Akut kestävät vain puoli tuntia.

Sotilaiden lisäksi voimanlisää tuottavaa pukua suunnitellaan käytettäväksi rakennustyömailla ja varastoissa. Työmies olisi kävelevä trukki. Myös liikuntarajoitteiset ja vanhukset saisivat tukea puvun voimista. Tavoitteena on saada puvun hinta putoamaan pienen henkilöauton tasolle.

Petaflopsin raja murtuu

Tehokkaimpien superkoneiden suorituskyky on tuhatkertaistunut kymmenessä vuodessa.

Yhdysvaltojen Los Alamosin laboratorion uusin numeronmurskaaja on 288 räkkiä käsittävä järjestelmä, joka pitää sisällään 6948 AMD:n Opteron- ja 12960 IBM:n Cell-suoritinta. Cell-suorittimet hoitavat raskaan laskentatyön, Opteronit tiedostojen käsittelyn ja tiedonsiirron.

Kone laskee viikossa fysikaalisen mallin, joka vuoden 1998 tehokkaimmalta olisi vienyt 20 vuotta. Laskenta olisi nyt puolivälissä.

Tehoa sähköverkosta se imee 3,9 megawatin verran, joka tekee 376 miljoonaa laskutoimitusta watilla.
Maantiekiitäjäksi nimetty järjestelmä maksoi 60 miljoonaa euroa. Sen pääasiallinen tehtävä on simuloida ydinaseiden turvallisuutta.