„Pokročilé logické operace umí poskládat jakýkoli úkon v procesoru,“ říká patentem ověnčený český vědec Aleš Hrabec

Pevný disk a procesor v jednom, to je patentovaný objev, na němž se podílel i český vědec Aleš Hrabec. Nový koncept, jenž využívá magnetické materiály, boří von Neumannovo schéma a tím otvírá nové možnosti vývoje počítačů. Jsme na prahu zcela nové generace počítačů? O tom jsme si povídali v našem rozhovoru.

 

CoolDialog

 

Přestože my kvůli pandemii musíme víceméně setrvávat doma, o našich počítačových datech to stejné říct nelze - ta cestují do jednotlivých úložišť po celém světě. O to, aby nemusela až do severských zemí nebo Ameriky, ale mohla se ukládat přímo v našich počítačích, se pokusil český vědec Aleš Hrabec. A mise se povedla! Stojíme na prahu úplně nové generace počítačů? Tak rychle to podle Aleše Hrabce nejde. Ale technologičtí giganti už o spolupráci zájem projevili. 

 

2v1

Specializujete se na velmi specifickou oblast – zjednodušeně řečeno, bádáte nad rychlejším ukládáním dat. Dostal jste se k ní ale poněkud oklikou, ze studií optiky… Co vás k tomu dovedlo?

Důvod byl jednoduchý – volání hor :-). V roce 2007 jsem dostal lákavou možnost vycestovat na půl roku do francouzského Grenoblu v rámci studentského magisterského programu Erasmus. Jak už to tak chodí, kromě vysněných aktivit ve francouzských Alpách jsem měl též možnost přičichnout k tomu, jak vypadá výzkum magnetických materiálů.

A na základě této zkušenosti jsem obdržel nabídku se v roce 2008 vrátit do stejné laboratoře a pokračovat v doktorandském studiu. Původní nadšení z výzkumu optických vláken tak vystřídala zvědavost k magnetickým materiálům.

 

 

Na ně jste se zaměřili i ve výzkumu nových magnetických materiálů na ukládání dat. K čemu jste došli?

Uplatnění magnetických materiálů v počítačích se téměř výhradně omezuje na ukládání dat. V roce 2008 jsme se zaměřili na speciální druh magnetických materiálů, tzv. ferrimagnetů, které se za jistých okolností mohou navenek tvářit jako nemagnetické materiály. Jednou výhodou takových pamětí je to, že by data byla bezpečnější, neboť by se dala hůře smazat působením vnějšího magnetu. Druhou vlastností, na kterou jsme mířili, byla rychlost ukládání dat.

Zpětně musím říct, že tento projekt byl úspěšný jenom částečně, neboť nám k úspěchu tehdy chyběla jedna znalost, která byla objevena asi rok po dokončení mého doktorátu. Ale tak už to v životě chodí.

 

V oboru jste dosáhli úžasného úspěchu – objevu „pevného disku a procesoru v jednom“, který jste si nechali i patentovat. Jak nová technologie funguje?

Když jsem se v roce 2018 přestěhoval na ETH Curych, tak naše skupina již měla rozpracovaný koncept nové magnetické interakce mezi dvěma malinkými magnety. Malinký v tomto smyslu je někde na úrovni desítek nanometrů, což odpovídá asi jedné tisícině velikosti lidského vlasu. Náš objev byl tehdy publikován v prestižním časopise Science. Tento objev byl v první řadě zajímavý z fundamentálního hlediska bez nějakých větších dopadů na lidský život.

Nicméně my jsme tuhle interakci využili v našem dalším bádaní, kdy jsme ji zakomponovali do výše zmíněných paměťových součástek. V první řadě jsme ukázali, že je možné změnit uložené jedničky na nuly a naopak. Tahle operace z logického hlediska odpovídá operaci NOT.

 

Jak je tohle důležité pro procesor?

Ukládání dat v počítačích funguje na binární bázi, to znamená, ze veškeré informace jsou uloženy v logických jedničkách a nulách. Magnety jsou vhodným nosičem takových jedniček a nul, neboť taky obecně nabývají dvou hodnot. Můžete si představit, že každý magnet má svůj sever a jih, který poznáte tak, že se od jiného magnetu buď odpuzuje nebo přitahuje.

No a těmto dvěma pólům pak můžeme přiřadit právě jedničky a nuly. Z nich se skládá úplně všechno, co máme v našich počítačích a telefonech: písničky, fotky nebo třeba počítačové hry. A cokoliv, co s těmito dokumenty děláme, jako například ztmavení nebo zesvětlení fotky, vyžaduje provádění logických operací v procesoru.

Operace NOT je tou nejzákladnější, ale v našem výzkumu jsme zrealizovali pokročilejší logické operace, z nichž je možno poskládat jakýkoli úkon v procesoru. To, že se jednalo o opravdu přelomový objev, je podtrženo tím, že i tato práce vyšla v prestižním vědeckém časopise Nature.

 

 

Jak si to fungování můžeme představit - před a po vašem objevu?

V našich počítačích máme, kromě jiných součástek, procesor, který vykonává všechny výpočty, a pevný disk, který dodává a ukládá vypočtená data z procesoru. Zatímco se rychlost procesoru během posledních let neustále vysokým tempem zvyšuje, rychlost ukládaní a čtení dat víceméně stagnuje.

Hlavní nevýhodou von Neumannova schématu je to, že dnešní procesory jsou asi milionkrát rychlejší než pevné disky, a tudíž v podstatě jsou nuceny čekat na nová data z nich. Pevný disk tedy neslouží jen k ukládání dat, ale je schopen i výpočtů.

Tento obrovský rozdíl rychlosti mezi procesorem a pevným diskem momentálně smazává kaskáda takzvaných cache pamětí, které však spotřebovávají obrovské množství energie. Zatímco v pevných discích jsou data uložena permanentně, v procesoru jsou uložena jen po dobu, kdy je napájen elektrickým proudem.

Procesor, který dokáže data zároveň zpracovat a ukládat, nabízí dvě velké výhody: odbourává rychlostní rozdíl a zároveň nepotřebuje elektrický proud k tomu, aby data dokázal udržet.

 

Vy s elektrickým proudem pracujete, posouváte jím data…

V námi použité paměti nepoužíváme rotující pevný disk, nad kterým se pohybuje čtecí a zapisovací hlava, ale data jsou posunována pomocí elektrického proudu. Můžete si to představit jako kazetovou pásku vyrobenou v nanometrových velikostech. My do této pásky pouštíme elektrický proud a data posunujeme, až doputují k námi vyvinutému logickému obvodu. Ten je založen na zcela novém propojení dvou sousedících magnetických bitů.

 

Bez prachu a nečistot

Pracujete s metodou na bázi magnetických materiálů jako alternativou dnešní křemíkové technologie, výzkum je tedy hodně manuální. Jak vypadá taková práce v praxi? Odehrává se ve speciální laboratoři?

Pracujeme ve speciálních podmínkách bez prachu a nečistot, kde z destiček vyrábíme elektrické nanoobvody. Naše práce se odehrává v několika laboratořích. V první fázi různé magnetické materiály nanášíme na křemíkové destičky a pak provádíme základní měření jejich vlastností. Když jsme s těmito vlastnostmi spokojeni, tak ve druhé fázi vyrábíme pomocí nanotechnologií zařízení nanometrových velikostí.

Absolutní čistota během výroby je naprosto nezbytná, a tak se toto odehrává v takzvaných čistých prostorech, kde je množství prachových částic sníženo na minimum a každý musí chodit pečlivě oblečen ve speciálním obleku, aby do laboratoří nepřinesl žádné nečistoty.

Ve třetí fázi tato vyrobená zařízení studujeme buď pod speciálním mikroskopem nebo pomocí elektrických metod. Jednou výhodou našeho pracoviště je tzv. synchrotron neboli elektronový urychlovač, jehož pomocí měříme chování magnetů v těch největších možných detailech. 

 

 

Proč nemohou být úložiště, kam neustále posíláme kvanta digitálních dat, uložena např. u nás v České republice? Máme tu již bateriová úložiště, funguje to v digitálních datech jinak?

Jak už jsem zmínil výše, spousta fotek a hudby je uložena v jedničkách a nulách.  Jak už asi tušíte, tato data si však v kapse nenosíme, protože jsou uložena na tzv. cloudech. Za tímto slovem se ale ukrývá to, že ta data jsou zkrátka uložena někde jinde. Největší datová farma se momentálně nachází v americké Nevadě.

Jedním z hlavních důvodů je přítomnost solárních elektráren, které umožňují obsluhovat takovou farmu s minimálními náklady. Dalším faktorem umístění takových data center je požadavek k jejich chlazení. Proto některé společnosti staví datová centra na Islandu nebo ve Skandinávii. Microsoft je dokonce provozuje pod hladinou mořské vody.

 

Ideální kandidát je IoT

V čem nejvíce vidíte využití této nové technologie?

Momentálně si dokážu představit uplatnění v nějakých menších zařízeních, která by nepotřebovala přístup k těmto datovým centrům, ale mohla si svoje data a výpočty provádět sama. Jedním z ideálních kandidátů je Internet of Things, který generuje spoustu dat, která tak mohou být přímo zpracována v našem procesoru, kde by i byla uložena. V této oblasti je obrovské kvantum informací, které potřebují jen jednoduché logické výpočty. Ty by naše paměť bez problémů zvládla. Ale fantazii se samozřejmě meze nekladou.

 

Tím, že se vám podařilo zabudovat procesor přímo do pevného disku, jste otevřeli prostory pro další zvýšení kapacity a rychlosti počítačů. Počítač, který by uměl data nejen zpracovávat, ale rovnou i ukládat… Jsme na prahu něčeho takového?

Já bych asi ze všeho nejdříve chtěl dodat, že jsem v první řadě vědec. Většinu z nás zajímá cesta za poznáním, najít něco, co ještě nikdy nikdo nepozoroval. Je to jako první cesta na Měsíc nebo za objevením nových pyramid uprostřed amazonského pralesa. Já osobně se věnuji speleologii, kde je stále možnost najít spoustu jeskyní, kam ještě žádná lidská noha nevkročila. Naše vědecké expedice se ale odehrávají v laboratoři na velmi mikroskopických rozměrech.

Když jsme poprvé pozorovali onu operaci NOT, tak nám všem u mikroskopů svítily oči. A musím říct, že od té doby už to pak jde s entusiasmem z kopce, neboť zbytek je už rutina. Musíte všechno proměřit do nejmenších detailů a ujistit se, že vaše hypotézy jsou správné.

Pak napsat článek, který musí projít recenzním řízením. Tohle všechno je už pro zvědavého vědce jen nezbytná nutnost. A právě uvedení nových technologií na trh není až tak naší doménou. Nicméně i tak jsme si náš objev nechali patentovat a probrali jeho využití s některými společnostmi na trhu (IBM, Samsung, pozn. red.).

Momentálně se snažíme vylepšit některé procesy, které by usnadnily společnostem implementovat tento procesor do jejich výrobních zařízení. Ale to je běh na dlouhou trať, a tak trochu za naším obzorem, neboť tohle už je jiný druh dobrodružství. Proto si ani neodvažuji odhadnout, kdy by takováto zařízení mohla opravdu dosáhnout výroby.

 

Aleši, jak daleko je od objevu, patentu k samotnému vývoji? Co vás teď v tomto směru čeká?

Asi nejbližší možností je spolupráce s nějakou tzv. Research & development společností, které můžeme nabídnout svoje know-how a která má k velkým společnostem daleko blíže, neboť pro ně podobné projekty rutinně vyvíjí. Momentálně takové kontakty navazujeme, ale ze strategického hlediska nechci moc rozkrývat detaily.

 

Aleš Hrabec

Absolvent VUT v Brně, aktuálně působí jako vědec na Spolkové vysoké technické škole v Curychu. Věnuje se výzkumu magnetických materiálů, především spintronice, kde se kombinují elektrické vlastnosti materiálů s kvantovými spiny. Výzkumné skupině, ve které působí, se podařilo vytvořit pevný disk, který umí být zároveň i procesorem.

 

Další zajímavé čtení? 

Český programátor Václav Faltus pracuje s blockchainem v pražírně kávy. Přečtěte si, co vymyslel. 

 

 

Připravila: Alena Čálková

Foto: archiv A. Hrabce

Sdílet: