Vi närmar oss gränsen för hur mycket fler mikroprocessorer som kan utvecklas. Gunnar Tufte föreslår att bygga datorer på ett helt nytt sätt, inspirerad av den mänskliga hjärnan och nanoteknik.

Gunnar Tufte är professor i datateknik, men hans forskning har tagit honom i några överraskande riktningar. Han är nu chef för ett projekt som omprövar hur morgondagens datorer ska byggas – inspirerad av neurovetenskap och fysik.

Tufte kallar datorer för ett mirakel i den moderna världen men tror att deras transistorer närmar sig pensionsåldern.

"Det är dags att tänka om datorer. I princip de byggs fortfarande på samma sätt som de var för 60-70 år sedan, säger Tufte.

Tufte tror att den mänskliga hjärnans struktur kan inspirera till arkitekturen för framtidens datorer:självorganiserande och byggda av otraditionella material.

Han pratar inte om en cyborg, som är en blandning av teknik och biologi.

I över 50 år, mikroprocessorhastigheterna har fördubblats vartannat år. Tufte tror att det inte kommer att gå att hålla uppe det aggressiva tempot mycket längre. Att minska antalet komponenter gör maskiner opålitliga. Att öka antalet delar gör dem energikrävande. Ett typiskt datacenter förbrukar så mycket ström som 40 000 hushåll, och maskinernas ökande komplexitet gör dem för dyra att tillverka.

Se till hjärnan

NTNU-professorn menar att hjärnan har egenskaper som datorer borde ha.

"Hjärnan ger stabil prestanda även om delarna är instabila, det kräver väldigt lite energi och har en självorganiserande designprocess. Om vi ​​lyckas överföra egenskaper som dessa från neurala nätverk till datorer, vi kommer att kunna revolutionera hur vi gör datorer, " han sa.

Tufte förklarar att hjärnan gör mycket av samma uppgifter som en dator gör:den bearbetar information, utövar kontroll och har minne. Men strukturen är helt annorlunda. Hjärnceller är självorganiserande, och de gör sin egen arkitektur och anpassar sig hela tiden, utan någon övergripande plan, han sa.

"En cell är både konstruerad och konstruktör. Neurala nätverk är komplexa men börjar enkelt. Organismen anpassar sig till miljön och världen. När vi konstruerar maskiner är det tvärtom, "sa han." Vi bygger en dator med delar som är exakt planerade och producerade, och de är monterade enligt en stor plan för att utföra en specifik uppgift. Maskinen är komplicerad från början, men har inte förmågan att utvecklas."

Konsten att lära

Och medan vi måste programmera en dator för att utföra nya uppgifter eller anpassa oss till andra teknologier, hjärnan har förmågan att lära sig.

Han säger att att konstruera den här typen av dator kommer att kräva helt annan hårdvara än vad som används i dagens maskiner, en idé som drivs vidare i ett femårigt forskningsprojekt som avslutas 2022 delvis finansierat av Norges forskningsråd kallat SOCRATES.

Nanomagneter kan erbjuda ett tillvägagångssätt, till exempel.

"Magneter är lätta att göra, och de är lätta att skala eftersom de är så enkla och kräver lite energi. Genom att möjliggöra självorganisering, vi är inte beroende av den enskilda komponenten. En eller flera komponenter kan skilja sig åt utan att resultatet blir felaktigt, " han säger.

Nanomagneter är redan här

Nanomagneter har producerats i NTNU Nanolab, och Tufte och hans grupp kör simuleringar av hur magneter kan bete sig på ett självorganiserande sätt.

Forskarna samarbetar med kollegor vid ETH i Schweiz, University of Sheffield, universitetet i Gent, Oslo Metropolitan University och University of York. Intresset för att finansiera forskning om alternativ till kiselprocessorn har tagit fart under de senaste fem till sex åren, Säger Tufte. Internationellt, aktuell forskning inkluderar användning av kolnanorör och olika molekylära lösningar.

Ignorerar små fel

Men hur kan resultaten bli korrekta om hårdvaran tillåts misslyckas?

"Fel uppstår när du skala ner. Så du måste kompensera med teknik som upptäcker fel. Någon gång, Du kommer att använda fler resurser för att upptäcka fel än att lösa problemet. Hjärnan har en underliggande självorganisation som inte beror på om en enskild hjärncell är pålitlig. Vi måste försöka kopiera det, "Säger Tufte.

Tufte säger att världen säkerligen skulle överleva även om dagens datorer inte blir kraftfullare, men att utveckling av effektivare datorer har tydliga miljökonsekvenser, ovanpå allt annat.

"Vi skulle undvika att implodera planeten. Men påverkan på ekonomi och politik skulle bli enorm. Allt bygger på tillväxt. Personligen, Jag skulle se det som en stor fördel om tillväxten stannade. Vi måste minska konsumtionen, säger Tufte.