Nanoprofesszorok

Nem kevesebb mint 234 millió tranzisztor és 256 milliárd művelet másodpercenként. Ezeket a hétköznapi fejjel nehezen felfogható számokat öntötték néhány hete a sajtó képviselőire azon a tájékoztatón, amelyen az IBM, a Sony és a Toshiba szakemberei bővebb részletekkel szolgáltak az általuk kifejlesztett újdonságról, amelyet Cell processzornak kereszteltek el, hogy már a névvel is az emberi sejtekhez való hasonlatosságot próbálják sugallni. Ha a számok stimmelnek, akkor az új processzorral felturbózott számítógépek alaposan megközelíthetik az egyetemeken és kutatóintézetekben világszerte dolgozó - legtöbbször nemcsak tudásban, de méretben is hatalmas - szuperszámítógépek teljesítményét.

A számok megértéséhez nem árt felidézni, hogyan fejlődtek a számítógépeket vezérlő mikroprocesszorok. Bár matematikusok régóta foglalkoztak a számítási műveletek automatizálásával, csak lassan haladtak, amíg 1947-ben fel nem találták a tranzisztort. A sok energiát fogyasztó és terebélyes elektroncsöveket és reléket felváltó félvezető hirtelen meggyorsította a fejlesztéseket: nyolc évvel később már el is készült az első, teljesen erre épülő (nyolcszáz tranzisztorból álló) számítógép, az amerikai Bell Laboratórium Tradic nevű masinája. A következő ugrás az 1960-as években történt, amikor kutatók rájöttek, hogy ha több tranzisztort ültetnek egyetlen szilíciumlapkára, akkor integrált áramköröket építhetnek, sőt mindezek egyetlen parányi csipben (a forgácsot, vékony szeletet is jelentő angol chip szó e formában immár a magyarban is kezd meghonosodni a lapka szinonimájaként) néhány milliméternyi helyen olyan teljesítményre és sok olyan funkcióra képesek, amely korábban elképzelhetetlen lett volna. Az amerikai Intel 1971-ben egy zsebszámológéphez készítette el az első klasszikus mikroprocesszort, a 4004-est, amelyben már 2250 tranzisztor másodpercenként 90 ezer műveletet végzett el, és fél négyzetcentiméteren annyi információt tárolt, amennyinek korábban legalább 2 négyzetméter csipfelület kellett.

Ehhez persze szükség volt azokra a titkos háttérfejlesztésekre, amelyek például az űrkutatás jóvoltából kezdődtek a szóban forgó fejlesztés előtt egy évtizeddel. Az amerikai űrkutatási hivatal, a NASA 1961-ben bízta meg a Massachusetts Institute of Technology (MIT) egyik, rakéták irányítórendszerét fejlesztő laboratóriumát, hogy az Apollo holdprogramhoz készítsenek digitális ellenőrző- és irányítórendszert. Az 1969 júliusában, az első ember Holdra lépésekor élesben is kipróbált, meglehetősen kezdetleges integrált áramkörökből összeállított rendszer teljesítményét ma már persze bármely otthoni személyi számítógép (pc) felülmúlja.

Amióta megszületett a nagy ötlet, hogy a néhány alapfeladat villámgyors elvégzésére képes áramkört a csip alapjául szolgáló egyetlen szilíciumlapkára zsúfolják össze, és így elkészült az első mikroprocesszor, azóta elsősorban az alkotóelemek miniatürizálásával hoztak újat a mérnökök. Talán az a legmeglepőbb, hogy a fejlesztés - kisebb ingadozásoktól eltekintve - tulajdonképpen mind a mai napig követi az első csipet piacra dobó Intel egyik alapítójának, Gordon E. Moore-nak éppen negyven esztendeje leírt (majd tíz évvel később pontosított) "törvényét", amely az integrált áramkörökbe épített tranzisztorok számának másfél évenkénti megduplázódását jósolta. Az exponenciális növekedést mutatja, hogy a kezdeti 2250 tranzisztor helyett ma már több százmilliót gyömöszölnek bele egyetlen - nagyjából ugyanakkora méretű - processzorba.

A miniatürizálás olyan sebességgel haladt, hogy a processzorgyártás második évtizedének végére már az emberi hajszálnál jóval vékonyabb vezetékeket és vájatokat tudtak a szilíciumlapkákba helyezni. Az 1993-ban csúcsmodellnek számító, első generációs Pentium processzorban több mint 3 millió tranzisztor volt, oly parányiak, hogy ötszáz ért volna körbe egy hajszálat. Az 1990-es évtized közepére tovább csökkentek a méretek, és már nanométerben (a milliméter egymilliomod részében) adták meg az alkotóelemek "nagyságát". Akkoriban egy információt továbbító vezeték a csipen 350 nanométer vékony volt, a most bejelentett szuperprocesszort viszont - sorozatgyártásban - már 65 nanométeres technológiával fogják készíteni, a kaliforniai Stanford University előrejelzése szerint pedig hat év múlva 22 nanométeresek lehetnek ugyanezen alkotóelemek, alig harmadával vastagabbak egy DNS-szálnál. Ennek a fejlődésnek különösen nagy lökést adott, amikor 1997-ben sikerült megoldani, hogy az integrált áramkörökre ne csak alumíniumból, hanem a jobban vezető és sokkal olcsóbb - ám a szilíciumot korábban még elszennyező - rézből is el tudják készíteni a vezetékeket (HVG, 1997. október 4.).

A mostani új csip kifejlesztése viszont már nem csupán a miniatürizálás újabb csodája, hanem mintegy kiteljesíti a processzor- és számítógépgyártásban az utóbbi években jelentkező trendeket. "A technológia lehetővé tette sok egyforma alkotóelem egymás mellé helyezését, és azokat párhuzamos rendszerekbe lehet szervezni. A szervezésbeli változtatások pedig egy idő után minőségi különbséget jelenthetnek" - ad hátteret a fejlődési irányokhoz Németh Gábor, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem híradás-technikai tanszékének docense. Az új csipben éppen az a forradalmi újdonság, hogy ennek megfelelően kilenc magja van, és nem egyetlen, esetleg két processzor dolgozik, hanem párhuzamosan nyolc, az egyenrangú bedolgozók munkáját pedig a kilencedik, a központi irányítóegység hangolja össze.

Azt már a kezdetektől kihasználták, hogy a csipeket meg lehet bízni egyszerre több feladattal is, amelyeket felváltva, mintegy ide-oda "kapkodva", de végül is gyorsabban oldanak meg, mint ha sorjában haladnának (HVG, 2000. március 11.). Ezt a nagy teljesítményű számítógépek világában már több mint egy évtizede úgy alkalmazzák, hogy sok - rendszerint több ezer - gépet és processzort kapcsolnak csoportba. A mai legnagyobb teljesítményű szupergép, az IBM BlueGene/L-je több mint 32 ezer processzort dolgoztat egyidejűleg. Tulajdonképpen kicsiben ezt a fajta munkaszervezési modellt készülnek utánozni most az asztali pc-kben is, ezért a legnagyobb gyártók már évek óta dolgoznak a többmagos csipeken.

A hagyományostól eltérő felépítése révén a most bejelentett újdonság - sok egyéb hasznos tulajdonsága mellett - elsősorban további teljesítményfokozást ígér: akár tízszeresét más, korszerű processzorokénak. Ez azt jelenti, hogy a Cell csip másodpercenként 256 milliárd matematikai műveletet képes elvégezni. Ez alig harmada ugyan annak, amit a szupergépek mai 500-as listájának legvégén álló teljesít (igaz, 416 processzort összekötve), ám figyelemre méltó, hogy ugyanezzel a tudással a Cell kilenc éve még a második helyezést érhette volna el a legnagyobbak között. Az újdonságot egyelőre nem is "mezei" pc-kbe tervezik beszerelni, hanem egyebek mellett játékkonzolokba, digitális televíziókba, amelyekben a képi megjelenítéshez szükség van a gyorsaságra és a nagy teljesítményre.

Könnyen lehet persze, hogy ez a technológiai újítás is csak ideig-óráig késlelteti a szilíciumalapú processzorok már többször megjósolt végét. A már idézett Németh Gábor szerint "sorban állnak" az integrált áramköröket gyökeresen megújító, ám ma még kereskedelmi forgalomra kiforratlan megoldások, amelyek például az atomok, molekulák szerkezetét használnák fel információtovábbításra. Tudományos-technikai hírekben máris sokszor szerepelnek az emberi hajszálnál tízezerszer vékonyabb nanoszéncsövekből épített processzorok, amelyek újabb nagyságrenddel gyorsíthatnák a számítógépeket.