Kuvittele tietokone. Mitä näet?

Olettaakseni mieleesi nousi rivejä samanlaisia mikropiirejä, ykkösiä ja nollia vilkkumassa täydellisessä binäärisessä symfoniassa. Ehkä näit tyylikkään läppärin tai surisevan palvelintelineen. Tämä on tarina, jota meille on myyty viidenkymmenen vuoden ajan: laskenta on digitaalista. Piste.

Mutta tässä on epämukava totuus — mielikuvituksesi puuttuu jotain. Oikeastaan paljon jotain.

Kangas, josta kukaan ei puhu

Se, mikä kiehtoo minua nykyaikaisessa tietotekniikassa: olemme rakentaneet tämän uskomattoman, planeetanlaajuisen digitaalisen logiikan infrastruktuurin, ja tehneet sen niin hyvin, että olemme unohtaneet muut laskennan tavat. Olemme käytännössä maalanneet Sixtuksen kappelein kattotaulut ja vakuuttaneet itsemme, että öljyvärit ja kangas ovat ainoat oikeutetut taiteelliset välineet.

Todellisuus on, että laskenta tapahtuu paljon laajemmalla kankaalla. Fysiikka itseasiassa laskee. Säämallit ratkaisevat differentiaaliyhtälöitä. Aivosi suorittavat operaatioita, jotka saavat nopeimmat supertietokoneet itkemään. Maailmankaikkeus on hyvin todellisessa mielessä yksi valtava analoginen tietokone, joka pyörii sääntöjen varassa, joita ymmärrämme tuskin lainkaan.

Digitaalinen laskenta ei voittanut, koska se oli parempi — se voitti, koska se oli hallittavissa. Kaksi tilaa (0 ja 1) tarkoittavat vähemmän valmistushaasteita, helpompaa virheenkorjausta ja siistimpiä abstraktioita ohjelmoijille. Vaihtoimme tehokkuuden ennustettavuuteen, ja rehellisesti? Se oli kauppa, joka kannatti. Rakensimme internetin, mobiililaskennan ja tekoälyn sen varaan.

Mutta nyt olemme törmäämässä seiniin. Datasenttereiden virrankulutus on käymässä kestämättömäksi. Mooren laki hidastuu. Transistorit, jotka sullomme piireille, ovat niin pieniä, että ne alkavat käyttäytyä... oudosti.

Ehkä on aika muistaa muut työkalut laatikossa.

Mitä analoginen oikeasti tarkoittaa (ja miksi sillä on väliä)

Ennen kuin jatkamme, demistifioidaan "analoginen laskenta" niille, jotka eivät ole viettäneet aikaa elektroniikkalaboratorioissa.

Perinteiset transistorit tekevät yhden asian: ne kytkevät päälle ja pois. Ne ovat suunniteltu digitaalisiksi, rakennettu ohittamaan kaikki väliltä. Ajattele valokytkintä — se on joko päällä tai pois. Koko digitaalinen infrastruktuurisi pyörii miljardien pienten, huolellisesti hoidettujen valokytkinten varassa.

Analoginen laskenta kysyy: entä jos emme ohittaisikaan kaikkea väliltä?

Kun annat transistoreiden toimia luonnollisessa, jatkuvassa tilassaan — jossa virta voi kulkea millä arvolla tahansa täysin pois ja täysin päällä -tilan välissä — avaat jotain merkittävää. Perusmatemaattiset operaatiot kuten yhteenlasku, integrointi ja differentiaaliyhtälöiden ratkaiseminen muuttuvat melkein triviaalisen yksinkertaisiksi. Yksi transistori voi kertoa. Virta summautuu luonnollisesti, kun kytket piirejä yhteen. Nämä eivät ole kiertoratkaisuja; ne ovat ominaisuuksia, joita digitaalisten piirien täytyy simuloida valtavilla kustannuksilla.

Kompromissi? Analogiset piirit ovat pahamaineisen hankalia. Pienet valmistusvaihtelut, jotka digitaaliset järjestelmät ohittavat, muuttuvat katastrofaalisiksi analogisissa rakenteissa. Jatkuvuus, joka antaa analogiselle sen voiman, tekee siitä myös herkän kohinalle, lämpötilalle ja kvanttimaailman kuiskauksille.

Vuosikymmenien ajan tämä herkkyys piti analogisen laskennan erikoisnicheissä — radioissa, sensoreissa, muutamassa sotilaallisessa sovelluksessa. Hyödyt olivat selkeät, mutta insinöörihaitat vaikuttivat ylivoimaisilta.

Pringles-läpimurto, josta kukaan ei puhu

Tässä kohtaa asiat alkavat olla jännittäviä, ja koen yllättyneeni siitä, ettei enemmän ihmisiä kiinnitä huomiota.

Tutkijat ovat löytäneet tapoja tehdä analogisista piireistä ohjelmoitavia. Ei vanhalla kömpelöllä ulkoisen vastuksen tavalla, vaan aidosti uudelleenohjelmoitavia valmistuksen jälkeen. Neuromorfisen tekniikan ja edistyneiden puolijohdeprosessien tekniikoita lainaamalla, ryhmät rakentavat nyt analogisia alustoja, jotka yhdistävät analogisen laskennan tehokkuuden modernien laskentajärjestelmien joustavuuteen.

Luvut ovat häikäisevät. Puhumme 100x:n ja 1000x:n vähennyksistä virrankulutuksessa tietyissä työkuormissa. Yhdelle kertolaskuoperaatiolle? Yksi analoginen transistori voi tehdä sen, mihin vaaditaan tuhansia digitaalisia transistoreja toimimaan yhdessä.

Toisin sanoen: jos voisimme siirtää edes murto-osan sopivia työkuormia optimoituun analogiseen laitteistoon, implikaatiot datasenttereiden virrankulutukselle, akunkestolle ja lämmöntuotannolle olisivat mullistavia.

Miksi tämän pitäisi kiinnostaa sinua

Tiedän mitä ajattelet: "Tämä kuulostaa tutkimukselta, joka ei päädy tuotantojärjestelmiin vuosikymmeniin."

Oikeutettu huomio. Mutta huomioi tämä: tutkimus tuottaa jo toimivaa piia. Yritykset rakentavat alustoja. Kuilu "kokeellisesta tuloksesta" "käyttöön otettavaan teknologiaan" kapenee nopeammin kuin useimmat ymmärtävät.

Tärkeämpää on, että näiden perustason trendien ymmärtäminen auttaa sinua tekemään parempia arkkitehtuuripäätöksiä. Jokainen laskennan sukupolvi tuo mukanaan uusia primitiivejä, uusia tapoja ajatella ongelmia. Kehittäjät, jotka menestyvät seuraavalla vuosikymmenellä, eivät vain ymmärrä ohjelmistoja — he ymmärtävät, miten ohjelmistot kuvaavat yhä monimuotoisempaa alustaa itsessään.

Pilvi ei ole enää vain kellarissa olevia palvelimia. Se on heterogeeninen maisema prosessoreita, näytönohjaimia, FPGA:ita, TPU:ita ja emerging specialized accelerators. Analoginen laskenta on seuraava palanen tuota maisemaa, joka on muotoutumassa.

Tie edessä

En ehdota, että kirjoittaisit sovelluksesi uudelleen jollakin uudella analogisella kielellä huomenna. Totuus on, että monet sovellukset tulevat aina suosimaan digitaalista tarkkuutta ja joustavuutta.

Mutta tietyillä alueilla — signaalinkäsittely, neuroverkkoinferenssi, tietyt optimointiongelmat, sensoriliittymät — analoginen laskenta tarjoaa etuja, jotka muuttuvat yhä vakuuttavammiksi, kun tehoresurssit kiristyvät ja tehokkuusvaatimukset kasvavat.

Näimme NameOceanilla tällaisia syklejä ennenkin. Uudet primitiivit nousevat. Kehittäjät, jotka ymmärtävät ne ensimmäisenä, rakentavat järjestelmät, jotka määrittelevät seuraavan aikakauden. Hostaatpa startupin ensimmäistä deployta tai suunnittelevat infrastruktuuria tuhansille käyttäjille, silmälläpitäminen siihen, mitä laitteistotasolla tapahtuu, tuottaa tulosta.

Digitaalinen vallankumous antoi laskennan, johon voimme luottaa. Analoginen renessanssi saattaa antaa laskennan, johon meillä on lopulta varaa.

Transistorit odottavat tuntemaan maailman uudelleen. Katsotaan mitä ne voivat opettaa.