Maskindrömmar

Det finns en helgedom i Hewlett-Packards högkvarter i Palo Alto, i hjärtat av Silicon Valley. I ena kanten av HP:s forskningsbyggnad finns två sammanlänkade rum med slitna möbler från mitten av århundradet, lediga i årtionden, noggrant bevarade. Från dessa kontor ledde William Hewlett och David Packard HP:s ingenjörer att uppfinna banbrytande produkter, som den programmerbara kalkylatorn på 40 pund, skrivmaskinsstorlek som lanserades 1968.

odefinierad

Den här historien var en del av vårt majnummer 2015

• Se resten av frågan
• Prenumerera

I dagens era av smartphones och cloud computing kan HP:s kärnprodukter också se föråldrade ut inom kort. Intäkter och vinst har sjunkit avsevärt de senaste åren, vilket försatt företaget i kris. HP stöds främst av försäljning av servrar, skrivare och bläck (dess PC- och bärbara datorer bidrar med mindre än en femtedel av den totala vinsten). Men företag har mindre behov av servrar nu när de kan vända sig till molntjänster som drivs av företag som Amazon – som köper sin hårdvara från billigare leverantörer än HP. Konsumenter och företag förlitar sig mycket mindre på skrivare än de en gång gjorde och förväntar sig inte att betala mycket för dem.

HP har avskaffat över 40 000 jobb sedan 2012, och det kommer att delas upp i två mindre men liknande oroliga företag senare i år (en operation som i sig kommer att kosta nästan 2 miljarder dollar). HP Inc. kommer att sälja skrivare och datorer; Hewlett Packard Enterprise kommer att erbjuda servrar och informationsteknologitjänster till företag. Det sistnämnda företaget kommer till stor del att bero på en division vars årliga intäkter sjönk med mer än 6 procent mellan 2012 och 2014. Resultatet krympte ännu snabbare, med över 20 procent. IBM, HP:s närmaste rival, sålde av sin serververksamhet till Kinas Lenovo förra året under liknande press.

Och ändå, mitt i denna potentiellt existentiella kris, arbetar HP Enterprise med ett riskabelt forskningsprojekt i hopp om att driva på en anmärkningsvärd comeback. Nästan tre fjärdedelar av personerna i HP:s forskningsavdelning är nu dedikerade till ett enda projekt: en kraftfull ny typ av dator känd som Maskinen. Det skulle i grunden omforma hur datorer fungerar, vilket gör dem enklare och kraftfullare. Om det fungerar kan projektet dramatiskt uppgradera allt från servrar till smartphones – och rädda HP själv.

Människor kommer att kunna lösa problem som de inte kan lösa idag, säger Martin Fink, HP:s tekniska chef och initiativtagare till projektet. Maskinen skulle ge företag kraften att hantera datamängder som är många gånger större och mer komplexa än de de kan hantera idag, säger han, och utföra befintliga analyser kanske hundratals gånger snabbare. Det kan leda till framsteg inom alla möjliga områden där det är viktigt att analysera information, till exempel genom medicin, där snabbare gensekvenseringsmaskiner producerar en mängd ny data. Maskinen kommer att kräva mycket mindre elektricitet än befintliga datorer, säger Fink, vilket gör det möjligt att dra ner på de stora energiräkningarna som drivs av lagren av datorer bakom internettjänster. HP:s nya modell för datoranvändning är också tänkt att gälla mindre prylar, vilket låter bärbara datorer och telefoner hålla mycket längre på en laddning.

Det skulle vara förvånande för alla företag att återuppfinna den grundläggande designen av datorer, men speciellt för HP att göra det. Det minskade forskningsjobb som en del av nedskärningar för ett decennium sedan och spenderar mycket mindre på forskning och utveckling än sina konkurrenter: 3,4 miljarder dollar 2014, 3 procent av intäkterna. I jämförelse spenderade IBM 5,4 miljarder dollar – 6 procent av intäkterna – och har en mycket längre tradition av den typ av grundforskning inom fysik och datavetenskap som kommer att krävas för att skapa den nya typen av datorer. För att Fink's Machine-dröm ska förverkligas fullt ut måste HP:s ingenjörer skapa system av lasrar som passar in i datorchips i fingertoppsstorlek, uppfinna en ny typ av operativsystem och perfekta en elektronisk enhet för att lagra data som aldrig tidigare har använts i datorer .

Att göra det skulle vara en virtuos bedrift av både dator- och företagsteknik.

Ny ritning

2010 drev Fink HP-divisionen som säljer kraftfulla företagsservrar och kände sig lite paranoid. Kunder strömmade till nystartade företag som erbjöd datalagring baserad på snabba, energieffektiva flashminneschips som de inuti smartphones. Men HP sålde bara den långsammare, etablerade lagringstekniken för hårddiskar. Vi reagerade inte tillräckligt aggressivt, säger Fink. Jag var frustrerad över att vi inte tänkte tillräckligt långt in i framtiden.

När han försökte se ett sätt att ta ett steg framåt, undrade han: varför inte använda nya former av minne, inte bara för att uppgradera datalagring utan för att helt och hållet uppfinna datorer? Fink visste att forskare vid HP och på andra håll arbetade med ny minnesteknik som lovade att vara mycket snabbare än flashchips. Han och hans chefstekniska rådgivare utarbetade en ritning som skulle använda dessa tekniker för att göra datorer mycket kraftfullare och energieffektivare.

Ett internt dokument om den idén, med företagstiteln Unbound Convergence, gick ingenstans. Men när Fink utsågs till HP:s tekniska chef och chef för HP Labs två år senare såg han en chans att återuppliva sitt förslag. När jag tittade på alla team i Labs kunde jag se att bitarna fanns där, säger han. Speciellt arbetade HP på att en konkurrent skulle blixt, baserad på en enhet som kallas memristor. Även om memristorn fortfarande var under utveckling såg det ut för Fink som om den en dag skulle vara tillräckligt snabb och lagra data tillräckligt tätt för att göra hans ritning realiserbar. Han uppdaterade sitt tidigare förslag och gav datorn ett namn som han trodde skulle vara tillfälligt: ​​Maskinen. Det fastnade.

The Machine är ett försök att uppdatera designen som har definierat datorernas magkänsla sedan 1970-talet. I grund och botten växlar datorer ständigt data fram och tillbaka mellan olika delar av hårdvara som innehåller information. En, känd som lagring, lagrar dina foton och dokument plus datorns operativsystem. Den består av hårddiskar eller flashminneschips, som kan få plats med mycket data på ett litet utrymme och behålla det utan ström (ingenjörer kallar det icke-flyktigt minne). Men både hårddiskar och flash-chips läser och skriver data mycket långsamt i förhållande till den takt som en dators processor kan arbeta med. När en dator behöver få något gjort måste data kopieras till korttidsminnet, som använder en teknik 10 000 eller fler gånger snabbare: DRAM (dynamic random-access memory). Den här typen av minne kan inte lagra data särskilt tätt och blir tomt när det stängs av.

Det tvådelade systemet med lagring och minne innebär att datorer lägger mycket tid och energi på att flytta data fram och tillbaka bara för att komma i stånd att använda den. Det är därför din bärbara dator inte kan starta omedelbart: operativsystemet måste hämtas från lagringen och laddas in i minnet. En begränsning för batteritiden på din smartphone är dess behov av att spendera energi på att hålla data vid liv i DRAM även när den är på tomgång i fickan.

Det kanske bara är ett irritationsmoment för dig, men det är en kostsam huvudvärk för människor som arbetar på datorer som gör den sortens kraftfulla sifferknäppning som blir så viktig i alla typer av industrier, säger Yuanyuan Zhou , en professor vid University of California, San Diego, som forskar om lagringsteknik. Människor som arbetar med dataintensiva problem begränsas av den traditionella arkitekturen, säger hon. HP uppskattar att ungefär en tredjedel av koden i en typisk del av dataanalysprogramvara är dedikerad enbart till att jonglera med lagring och minne, inte till uppgiften. Detta minskar inte bara prestandan. Att behöva överföra data mellan minne och lagring förbrukar också betydande energi, vilket är ett stort problem för företag som driver stora samlingar av servrar, säger Zhou. Företag som Facebook spenderar miljoner på att försöka minska de enorma elräkningarna för sina lager med datorer.

Maskinen är designad för att övervinna dessa problem genom att ta bort skillnaden mellan lagring och minne. Ett enda stort minneslager baserat på HP:s memristorer kommer både att hålla data och göra det tillgängligt för processorn. Att kombinera minne och lagring är inte en ny idé, men det har ännu inte funnits en icke-flyktig minnesteknik som är tillräckligt snabb för att göra det praktiskt, säger Tsu-Jae King Liu, en professor som studerar mikroelektronik vid University of California, Berkeley. Liu är rådgivare till Crossbar, en startup som arbetar med en memristor-liknande minnesteknik känd som resistivt RAM. Det och en handfull andra företag utvecklar tekniken som en direkt ersättning för flashminne i befintliga datordesigner. HP är dock ensamt om att säga att dess enheter är redo att förändra datorer mer radikalt.

För att maskinen ska fungera så bra som Fink föreställer sig, behöver HP skapa memristor-minneschips och en ny typ av operativsystem utformat för att använda ett enda, gigantiskt minneslager. Finks ritning kräver också två andra avsteg från den vanliga datordesignen. En är att flytta data mellan maskinens processorer och minne med hjälp av ljuspulser som skickas över optiska fibrer, ett snabbare och mer energieffektivt alternativ till metallledningar. Den andra är att använda grupper av specialiserade energieffektiva chips, som de som finns i mobila enheter, istället för individuella processorer för allmänt bruk. Lågenergiprocessorerna, tillverkade av företag som Intel, går att köpa från hyllan idag. HP måste uppfinna allt annat.

Huvudsyssla

Ingen har byggt ett fundamentalt nytt operativsystem på decennier. I mer än 40 år har varje nytt operativsystem faktiskt byggts eller modellerats efter ett som kom tidigare, säger Rich Friedrich, chef för systemprogramvara för Maskinen. Akademisk forskning om operativsystem har varit minimal eftersom befintliga system är så dominerande.

Friedrichs och hans kollegors arbete kommer att vara avgörande. Programvaran måste sammanföra Maskinens olika ovanliga komponenter till ett tillförlitligt system som inte liknar någon annan dator som någonsin byggts. Gruppen måste också hjälpa till att marknadsföra den datorn. Om operativsystemet inte ser attraktivt ut för andra företag och programmerare kommer Maskinens tekniska fördelar att vara irrelevanta. Av den anledningen arbetar HP på två nya operativsystem samtidigt. En är baserad på det flitigt använda Linux-systemet och kommer att släppas i sommar, tillsammans med mjukvara för att efterlikna hårdvaran den behöver för att köras. Linux++, som det kallas, kan inte utnyttja maskinens kraft fullt ut men kommer att vara kompatibel med de flesta befintliga Linux-programvara, så programmerare kan enkelt prova det. De som gillar det kommer att kunna ta steget upp till HP:s andra nya operativsystem, Carbon, som inte kommer att vara färdigt på två år eller mer. Den kommer att släppas som öppen källkod, så att vem som helst kan inspektera eller modifiera dess kod, och designas från grunden för att frigöra den fulla kraften hos en dator utan uppdelning mellan lagring och minne. Genom att börja från början, säger Friedrich, kommer detta operativsystem att ta bort all komplexitet, orsakad av år av uppdateringar utöver uppdateringar, som leder till krascher och säkerhetsbrister.

Tester med det som ligger närmast en fungerande version av maskinen – en simulering som körs i ett kluster av kraftfulla servrar – tipsar om vad Carbon och den nya datorn kan kunna leverera när den är igång. I ett försök tävlade den simulerade maskinen och en konventionell dator för att analysera ett foto och söka i en databas med 80 miljoner andra bilder för att hitta de fem som var mest visuellt lika. Den färdiga, kraftfulla HP-servern klarade uppgiften på cirka två sekunder. Den simulerade maskinen behövde bara 50 millisekunder.

Att hantera sådana uppgifter tiotals eller hundratals gånger snabbare – med samma energiförbrukning – kan vara en avgörande fördel i en tid då fler och fler datorproblem involverar enorma datamängder. Om du har ditt genom sekvenserat tar det timmar för en kraftfull dator att förfina rådata till den färdiga sekvensen som kan användas för att granska ditt DNA. Om maskinen förkortade den processen till minuter, skulle genomisk forskning kunna gå snabbare och sekvensering kan vara lättare att använda i medicinsk praxis. Sharad Singhal, som leder HP:s dataanalysforskning, förväntar sig särskilt slående förbättringar för problem som involverar datamängder i form av en matematisk graf – där entiteter är länkade av en väv av anslutningar, inte organiserade i rader och kolumner. Exempel inkluderar kopplingar mellan personer på Facebook eller mellan personer, flygplan och väskor som flyttas runt av ett flygbolag. Och vilda nya applikationer kommer sannolikt att dyka upp när maskinen fungerar på riktigt. Tekniker som vi skulle förkasta som opraktiska blir plötsligt praktiska, säger Singhal. Människor kommer att tänka på sätt att använda denna teknik som vi inte kan komma på idag.

Att fullända memristorn är avgörande om HP ska kunna leverera den slående potentialen. Det arbetet är centrerat i ett litet labb, en våning nedanför HP:s grundares kontor, där Stanley Williams fick ett genombrott för ungefär ett decennium sedan.

Om allt går enligt planerna kommer Hewlett Packard Enterprise att fylla fem år när den första versionen av maskinen kan komma till sin undsättning.

Williams började med HP 1995 efter att David Packard beslutat att företaget borde göra mer grundläggande forskning. Han kom att fokusera på att försöka använda organiska molekyler för att göra mindre, billigare ersättningar för kiseltransistorer (se Computing After Silicon, september/oktober 1999). Efter några år kunde han tillverka enheter med rätt typ av switchliknande beteende genom att lägga in molekyler som kallas rotaxaner mellan platinaelektroder. Men deras prestation var galet oberäknelig. Det tog flera år innan Williams insåg att molekylerna faktiskt var irrelevanta och att han hade snubblat in i en stor upptäckt. Växlingseffekten kom från ett lager av titan som användes som lim för att fästa rotaxanlagret på elektroderna. Mer överraskande, versioner av enheterna byggda kring det materialet uppfyllde en förutsägelse som gjordes 1971 av en helt ny typ av grundläggande elektronisk enhet. När Leon Chua, en professor vid University of California, Berkeley, förutspådde existensen av denna enhet, ansåg teknisk ortodoxi att alla elektroniska kretsar måste byggas av bara tre grundläggande element: kondensatorer, motstånd och induktorer. Chua räknade ut att det borde finnas en fjärde; det var han som kallade den memristor, eller motstånd med minne. Enhetens väsentliga egenskap är att dess elektriska resistans - ett mått på hur mycket den hämmar flödet av elektroner - kan ändras genom att applicera en spänning. Det motståndet, ett slags minne av spänningen som enheten upplevde tidigare, kan användas för att koda data.

Packard och Hewlett 1964.

HP:s senaste manifestation av komponenten är enkel: bara en bunt tunna filmer av titandioxid några nanometer tjocka, inklämda mellan två elektroder. Vissa av lagren i stapeln leder elektricitet; andra är isolatorer eftersom de är utarmade på syreatomer, vilket ger enheten som helhet högt elektriskt motstånd. Genom att applicera rätt mängd spänning skjuts syreatomer från ett ledande skikt till ett isolerande, vilket gör att ström passerar lättare. Forskaren Jean Paul Strachan visar detta genom att använda musen för att klicka på en knapp märkt 1 på sin datorskärm. Det gör att en smal ström av syreatomer flödar kort inuti ett lager titandioxid i en memristor på en närliggande kiselskiva. Vi har precis skapat en bro som elektroner kan färdas genom, säger Strachan. Siffror på hans skärm indikerar att enhetens elektriska motstånd har sjunkit med en faktor tusen. När han klickar på en knapp märkt 0 drar sig syreatomerna tillbaka och enhetens motstånd stiger upp igen. Motståndet kan växlas så på bara pikosekunder, ungefär tusen gånger snabbare än de grundläggande elementen i DRAM och med en bråkdel av energin. Och avgörande är att motståndet förblir fixerat även efter att spänningen stängts av.

När Williams tillkännagav memristor 2008 började det vad han nu kallar en berg-och dalbana, eftersom grundforskningen snabbt utvecklades till att bli ett avgörande utvecklingsprojekt för HP. Ibland kan adrenalinet vara lite överväldigande, säger han. Memristors har varit hans teams primära sysselsättning sedan 2008, och 2010 meddelade HP att de hade träffat en överenskommelse med den sydkoreanska minneschiptillverkaren SK Hynix för att kommersialisera tekniken. På den tiden fokuserade HP på att få memristorer att ersätta flashminne i konventionella datorer. Sedan, 2012, ökade Fink på mer press genom att sätta memristorer i hjärtat av sin plan för maskinen.

Riskabla affärer

Att använda memristorer, antingen som ersättning för flashminne eller som bas för maskinen, skulle kräva att de packas in i minneschips som kombinerar en tät uppsättning enheter med konventionella kiselstyrkretsar. Men sådana marker finns inte för tillfället. Och det är inte klart när HP kommer att kunna få tag på någon. Det är upp till en chiptillverkare som SK Hynix att utveckla pålitliga memristorchips som är anpassade till dess produktionslinjer. Hittills skickar den HP silikonskivor med memristorer som kan testas individuellt, inte användas i en dator.

Fink och Williams säger att de första prototyperna av minneschips kan komma någon gång nästa år. (Tidigare uttalanden av Williams fick det att verka som om tekniken skulle komma ut på marknaden 2013, men han och Fink säger att dessa kommentarer tolkades fel.) En talesman för Hynix, Heeyoung Son, avböjde att kommentera om 2016 är genomförbart. Det finns ingen specifik tidslinje, sa han. Det kommer att ta lite tid att nå det.

Topp, en närbild av memristorer på en silikonwafer. Nedan en detalj i en prototyp av maskinen.

Edwin Kan , en professor vid Cornell University som arbetar med minnesteknik, säger att framstegen med memristorer och liknande enheter verkade stanna när företag försökte integrera dem i täta, pålitliga chips. Det ser lovande ut, men det har sett lovande ut för länge, säger han.

Dmitri Strukov, en av Williams tidigare medarbetare på HP, säger att memristorer ännu inte har klarat ett nyckeltest. Strukov, en biträdande professor vid University of California, Santa Barbara, och huvudförfattare till tidningen 2008 som tillkännager memristor, säger att även om tekniska publikationer som släppts av HP och SK Hynix har visat att enskilda memristorer kan bytas biljontals gånger utan att misslyckas, det är ännu inte klart att stora arrayer fungerar på samma sätt. Det är inte trivialt, säger han.

Stanley Williams säger att memristorn kommer att erbjuda en oöverträffad kombination av hastighet, densitet och energieffektivitet.

Omgiven av prototyp memristorer i sitt labb, säger Williams glatt att hans förtroende för tekniken är fortsatt hög. Om jag hade trott att det skulle komma något annat som var bättre så hade jag hoppat på det på en femtosekund, säger han. Williams har ett diagram på väggen som sammanfattar konkurrensen från en handfull andra minnesteknologier som företag inklusive IBM och Samsung placerar som ersättningar för flash. Dessa företag och HP är i liknande stadier: framsteg rapporteras, även om den kommersiella framtiden för deras enheter är oklar. Men Williams säger att ingen av de andra teknologierna har en så bra kombination av hastighet, densitet och energieffektivitet som memristorer. Även om den första generationen memristorchips ännu inte har introducerats, tittar hans grupp redan på sätt för efterföljande generationer att packa in mer och mer data. Dessa inkluderar stapling av memristorer i lager och lagring av mer än en enda bit i varje memristor.

I labbet bredvid arbetar forskare med optiska dataanslutningar som är tillräckligt kompakta för att koppla ihop komponenterna inuti en dator. Men det här projektet är i ett ännu tidigare skede. HP:s ingenjörer kan visa upp en kiselwafer täckt av små lasrar, var och en en fjärdedel av ett människohårs bredd, och använda dem för att pulsera ljus ner smala optiska fibrer. Lasrarna är avsedda att förpackas i små chips och läggas till maskinens kretskort för att ansluta dess minne och processorer. Befintliga datorer använder metalltrådar för det, eftersom konventionell optisk anslutningsteknik är för skrymmande. Fink förväntar sig att detta är den sista av maskinens komponenter som är klara, runt slutet av decenniet.

När den tiden kommer kan den första fullständiga versionen av maskinen hyras ut för företag eller universitet att få åtkomst på distans för storskalig dataanalys, säger Fink. Strax efter kommer maskinliknande servrar att vara tillgängliga att köpa. Arbetet kommer också att börja med att skala ner den nya datorn för användning i andra typer av enheter, som bärbara datorer, smartphones och till och med kabel-TV-boxar, säger han.

Om allt går enligt planerna kommer Hewlett Packard Enterprise att fylla fem år när den första versionen av maskinen kan komma till sin undsättning. Men marknaden kanske inte är mycket mer välkomnande än vad den är för HP:s befintliga verksamhet idag.

Nya datortekniker tenderar att börja bli dyra och svåra att använda. Intresset för HP:s servrar avtar eftersom molntjänster erbjuder företag raka motsatsen – ett billigare och enklare alternativ till tjänster som en gång måste byggas internt. Även företag som köper sina egna servrar kommer sannolikt att fortsätta se betydande prestandaförbättringar från stadiga uppgraderingar av tekniker som nätverk och lagring i flera år, säger Doug Burger , seniorforskare på Microsoft. En nollan är jättebra eftersom man får omdefiniera allt, men man måste omdefiniera allt, säger han. Störande, framgångsrika projekt i mycket komplexa systemarkitekturer är ganska sällsynta.

Fink hävdar att hans forskare kan skapa verktyg som underlättar processen att migrera till den märkliga nya framtiden för datoranvändning. Och han tror att företag kommer att bli mer öppna för att ta till sig en ny plattform när stegvisa uppgraderingar av konventionella datorer börjar ge minskande avkastning.

Något paradoxalt nog säger Fink också att utsikten att misslyckas med att leverera maskinen alls inte stör honom. HP kan falla tillbaka på att sälja memristorchips och fotoniska sammankopplingar som sätt att uppgradera den bristfälliga arkitekturen hos dagens datorer, säger han – även om HP inte är i branschen för att tillverka komponenter idag. Vi vinner mycket på att göra det här, säger han. Det är inte allt eller inget.

HP:s kamp verkar tyda på precis motsatsen.

Dölj