Sogni di macchine

C'è un santuario all'interno del quartier generale di Hewlett-Packard a Palo Alto, nel cuore della Silicon Valley. A un bordo dell'edificio di ricerca di HP, due stanze comunicanti con mobili di metà secolo logori, sfitte da decenni, sono accuratamente conservate. Da questi uffici, William Hewlett e David Packard guidarono gli ingegneri HP a inventare prodotti rivoluzionari, come la calcolatrice programmabile da 40 libbre delle dimensioni di una macchina da scrivere lanciata nel 1968.

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Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2015

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Nell'era odierna degli smartphone e del cloud computing, i prodotti principali di HP potrebbero anche sembrare antiquati in breve tempo. Entrate e profitti sono notevolmente diminuiti negli ultimi anni, portando l'azienda in crisi. HP è sostenuta principalmente dalle vendite di server, stampanti e inchiostro (i suoi PC e laptop contribuiscono per meno di un quinto dei profitti totali). Ma le aziende hanno meno bisogno di server ora che possono rivolgersi a servizi cloud gestiti da aziende come Amazon, che acquistano hardware da fornitori più economici di HP. I consumatori e le aziende fanno molto meno affidamento sulle stampanti rispetto a una volta e non si aspettano di pagare molto per loro.

HP ha perso oltre 40.000 posti di lavoro dal 2012 e si dividerà in due società più piccole ma con problemi simili entro la fine dell'anno (un'operazione che costerà di per sé quasi 2 miliardi di dollari). HP Inc. venderà stampanti e PC; Hewlett Packard Enterprise offrirà server e servizi informatici alle aziende. Quest'ultima società dipenderà in gran parte da una divisione il cui fatturato annuo è diminuito di oltre il 6% tra il 2012 e il 2014. I guadagni si sono ridotti ancora più velocemente, di oltre il 20%. IBM, il rivale più vicino di HP, ha venduto la sua attività di server alla cinese Lenovo lo scorso anno sotto pressioni simili.

Eppure, nel mezzo di questa potenziale crisi esistenziale, HP Enterprise sta lavorando a un progetto di ricerca rischioso nella speranza di guidare un notevole ritorno. Quasi tre quarti delle persone nella divisione di ricerca di HP sono ora dedicati a un unico progetto: un nuovo potente tipo di computer noto come la Macchina. Fondamentalmente ridisegnerebbe il modo in cui funzionano i computer, rendendoli più semplici e potenti. Se funziona, il progetto potrebbe aggiornare drasticamente qualsiasi cosa, dai server agli smartphone, e salvare la stessa HP.

Le persone saranno in grado di risolvere problemi che non possono risolvere oggi, afferma Martin Fink, Chief Technology Officer di HP e promotore del progetto. La Macchina darebbe alle aziende il potere di affrontare set di dati molte volte più grandi e complessi di quelli che possono gestire oggi, dice, ed eseguire analisi esistenti forse centinaia di volte più velocemente. Ciò potrebbe portare a balzi in avanti in tutti i tipi di aree in cui l'analisi delle informazioni è importante, come la medicina genomica, dove macchine più veloci per il sequenziamento genico stanno producendo un eccesso di nuovi dati. La Macchina richiederà molta meno elettricità rispetto ai computer esistenti, afferma Fink, consentendo di ridurre drasticamente le ingenti bollette energetiche sostenute dai magazzini dei computer dietro i servizi Internet. Il nuovo modello di HP per l'informatica è pensato anche per essere applicato ai gadget più piccoli, consentendo a laptop e telefoni di durare molto più a lungo con una singola carica.

Sarebbe sorprendente per qualsiasi azienda reinventare il design di base dei computer, ma soprattutto per HP lo facesse. Ha tagliato i posti di lavoro nella ricerca come parte degli sforzi di ridimensionamento di un decennio fa e spende molto meno in ricerca e sviluppo rispetto ai suoi concorrenti: 3,4 miliardi di dollari nel 2014, il 3% delle entrate. In confronto, IBM ha speso 5,4 miliardi di dollari, il 6% delle entrate, e ha una tradizione molto più lunga del tipo di ricerca di base in fisica e informatica che richiederà la creazione del nuovo tipo di computer. Affinché il sogno di Fink's Machine sia pienamente realizzato, gli ingegneri di HP devono creare sistemi di laser che si adattino all'interno di chip di computer delle dimensioni di un dito, inventare un nuovo tipo di sistema operativo e perfezionare un dispositivo elettronico per l'archiviazione di dati che non è mai stato utilizzato prima nei computer .

Farcela sarebbe un'impresa virtuosa sia di computer che di ingegneria aziendale.

Nuovo progetto

Nel 2010, Fink dirigeva la divisione HP che vende server aziendali ad alta potenza e si sentiva un po' paranoico. I clienti si stavano accalcando verso le startup che offrivano l'archiviazione dei dati basata su chip di memoria flash veloci ed efficienti dal punto di vista energetico come quelli degli smartphone. Ma HP vendeva solo la tecnologia di archiviazione più lenta e consolidata dei dischi rigidi. Non stavamo rispondendo in modo abbastanza aggressivo, dice Fink. Ero frustrato dal fatto che non stavamo pensando abbastanza lontano nel futuro.

Cercando di vedere un modo per fare un salto in avanti, si chiedeva: perché non utilizzare nuove forme di memoria non solo per aggiornare l'archiviazione dei dati, ma per reinventare completamente i computer? Fink sapeva che i ricercatori di HP e altrove stavano lavorando su nuove tecnologie di memoria che promettevano di essere molto più veloci dei chip flash. Lui e il suo capo consulente tecnico hanno elaborato un progetto che avrebbe utilizzato quelle tecnologie per rendere i computer molto più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico.

Un documento interno su quell'idea, dal titolo aziendale Unbound Convergence, non è andato da nessuna parte. Ma quando due anni dopo Fink è stato nominato Chief Technology Officer di HP e capo di HP Labs, ha visto la possibilità di far risorgere la sua proposta. Quando ho guardato tutte le squadre in Labs, ho potuto vedere che i pezzi erano lì, dice. In particolare, HP stava lavorando a un concorrente per il flash, basato su un dispositivo chiamato memristor. Sebbene il memristor fosse ancora in fase di sviluppo, a Fink sembrava che un giorno sarebbe stato abbastanza veloce e avrebbe archiviato dati abbastanza densamente da rendere realizzabile il suo progetto. Ha aggiornato la sua precedente proposta e ha dato al computer un nome che pensava sarebbe stato temporaneo: la Macchina. Si è bloccato.

The Machine è un tentativo di aggiornare il design che ha definito le viscere dei computer dagli anni '70. In sostanza, i computer spostano costantemente i dati avanti e indietro tra diversi componenti hardware che contengono informazioni. Uno, noto come archiviazione, conserva le tue foto e i tuoi documenti oltre al sistema operativo del computer. È costituito da dischi rigidi o chip di memoria flash, che possono contenere molti dati in un piccolo spazio e conservarli senza alimentazione (gli ingegneri la chiamano memoria non volatile). Ma sia i dischi rigidi che i chip flash leggono e scrivono i dati molto lentamente rispetto al ritmo con cui il processore di un computer può lavorarci. Quando un computer ha bisogno di fare qualcosa, i dati devono essere copiati nella memoria a breve termine, che utilizza una tecnologia 10.000 o più volte più veloce: la DRAM (memoria dinamica ad accesso casuale). Questo tipo di memoria non può archiviare dati in modo molto denso e si svuota quando viene spento.

Il sistema a due livelli di archiviazione e memoria significa che i computer trascorrono molto tempo ed energia spostando i dati avanti e indietro solo per essere in grado di utilizzarli. Questo è il motivo per cui il tuo laptop non può avviarsi all'istante: il sistema operativo deve essere recuperato dallo storage e caricato in memoria. Un vincolo sulla durata della batteria del tuo smartphone è la sua necessità di spendere energia per mantenere vivi i dati nella DRAM anche quando è inattivo in tasca.

Potrebbe essere un semplice fastidio per te, ma è un costoso mal di testa per le persone che lavorano su computer che fanno quel tipo di potente scricchiolio di numeri che sta diventando così importante in tutti i tipi di industrie, dice Yuan Yuan Zhou , professore all'Università della California, San Diego, che ricerca tecnologie di archiviazione. Le persone che lavorano su problemi ad alta intensità di dati sono limitate dall'architettura tradizionale, afferma. HP stima che circa un terzo del codice in un tipico software di analisi dei dati sia dedicato esclusivamente alla giocoleria di archiviazione e memoria, non al compito da svolgere. Questo non riduce solo le prestazioni. Il dover trasferire i dati tra memoria e storage consuma anche molta energia, il che è una delle principali preoccupazioni per le aziende che gestiscono vaste raccolte di server, afferma Zhou. Aziende come Facebook spendono milioni cercando di tagliare le enormi bollette elettriche per i loro magazzini di computer.

La Macchina è progettata per superare questi problemi eliminando la distinzione tra storage e memoria. Un unico grande archivio di memoria basato sui memristori di HP conterrà i dati e li renderà disponibili per il processore. Combinare memoria e archiviazione non è un'idea nuova, ma non esiste ancora una tecnologia di memoria non volatile abbastanza veloce da renderla pratica, afferma Tsu-Jae King Liu, un professore che studia microelettronica all'Università della California, a Berkeley. Liu è consulente di Crossbar, una startup che lavora su una tecnologia di memoria simile a un memristor nota come RAM resistiva. Insieme a una manciata di altre aziende, stanno sviluppando la tecnologia come sostituto diretto della memoria flash nei progetti di computer esistenti. HP è l'unico, tuttavia, a dire che i suoi dispositivi sono pronti a cambiare computer in modo più radicale.

Per far funzionare la Macchina come immagina Fink, HP deve creare chip di memoria memristor e un nuovo tipo di sistema operativo progettato per utilizzare un unico enorme archivio di memoria. Il progetto di Fink richiede anche altre due deviazioni dal solito design del computer. Uno è spostare i dati tra i processori della Macchina e la memoria utilizzando impulsi di luce inviati su fibre ottiche, un'alternativa più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico al cablaggio metallico. Il secondo consiste nell'utilizzare gruppi di chip specializzati ad alta efficienza energetica, come quelli che si trovano nei dispositivi mobili, invece di singoli processori generici. I processori a basso consumo energetico, realizzati da aziende come Intel, possono essere acquistati oggi in pronta consegna. HP deve inventare tutto il resto.

Occupazione primaria

Nessuno ha costruito un sistema operativo fondamentalmente nuovo per decenni. Per più di 40 anni, ogni nuovo sistema operativo è stato effettivamente costruito o modellato su uno precedente, afferma Rich Friedrich, direttore del software di sistema per la Macchina. La ricerca accademica sui sistemi operativi è stata minima perché i sistemi esistenti sono così dominanti.

Il lavoro di Friedrich e dei suoi colleghi sarà fondamentale. Il software deve riunire i vari componenti insoliti della Macchina in un sistema affidabile diverso da qualsiasi altro computer mai costruito. Il gruppo deve anche aiutare a commercializzare quel computer. Se il sistema operativo non sembra attraente per altre aziende e programmatori, i meriti tecnici della Macchina saranno irrilevanti. Per questo motivo, HP sta lavorando su due nuovi sistemi operativi contemporaneamente. Uno è basato sul sistema Linux ampiamente utilizzato e verrà rilasciato quest'estate, insieme al software per emulare l'hardware necessario per funzionare. Linux++, come viene chiamato, non può sfruttare appieno la potenza della Macchina ma sarà compatibile con la maggior parte del software Linux esistente, quindi i programmatori possono provarlo facilmente. Coloro a cui piacerà potranno passare al secondo nuovo sistema operativo di HP, Carbon, che non sarà completato prima di due anni o più. Verrà rilasciato come open source, in modo che chiunque possa ispezionare o modificare il suo codice, ed è stato progettato da zero per liberare tutta la potenza di un computer senza divisione tra storage e memoria. Partendo da zero, afferma Friedrich, questo sistema operativo rimuoverà tutta la complessità, causata da anni di aggiornamenti in aggiunta agli aggiornamenti, che porta a arresti anomali e debolezze della sicurezza.

I test con la cosa più simile a una versione funzionante della Macchina, una simulazione in esecuzione all'interno di un cluster di potenti server, suggeriscono ciò che Carbon e il nuovo computer potrebbero essere in grado di fornire una volta installato e funzionante. In una prova, la Macchina simulata e un computer convenzionale hanno gareggiato per analizzare una foto e cercare in un database di 80 milioni di altre immagini per trovare le cinque visivamente più simili. Il server HP standard e ad alta potenza ha completato l'attività in circa due secondi. La macchina simulata richiedeva solo 50 millisecondi.

Gestire tali attività decine o centinaia di volte più velocemente, con lo stesso dispendio energetico, potrebbe essere un vantaggio cruciale in un momento in cui sempre più problemi di elaborazione coinvolgono enormi set di dati. Se hai il tuo genoma sequenziato, ci vogliono ore prima che un potente computer rifinisca i dati grezzi nella sequenza finita che può essere utilizzata per esaminare il tuo DNA. Se la Macchina riducesse quel processo a pochi minuti, la ricerca genomica potrebbe muoversi più velocemente e il sequenziamento potrebbe essere più facile da usare nella pratica medica. Sharad Singhal, che guida la ricerca sull'analisi dei dati di HP, prevede miglioramenti particolarmente sorprendenti per i problemi che coinvolgono set di dati sotto forma di un grafico matematico, in cui le entità sono collegate da una rete di connessioni, non organizzate in righe e colonne. Gli esempi includono le connessioni tra persone su Facebook o tra persone, aerei e bagagli spostati da una compagnia aerea. Ed è probabile che emergano nuove applicazioni selvagge una volta che la Macchina funzionerà davvero. Tecniche che scarteremmo in quanto impraticabili diventano improvvisamente pratiche, dice Singhal. Le persone penseranno a modi per utilizzare questa tecnologia a cui non riusciamo a pensare oggi.

Perfezionare il memristor è fondamentale se HP vuole sfruttare quel potenziale sorprendente. Quel lavoro è incentrato in un piccolo laboratorio, un piano sotto gli uffici dei fondatori di HP, dove Stanley Williams ha fatto una svolta circa un decennio fa.

Se tutto va secondo i piani, la Hewlett Packard Enterprise avrà cinque anni quando la prima versione della Macchina potrà andare in suo soccorso.

Williams era entrato in HP nel 1995 dopo che David Packard aveva deciso che l'azienda avrebbe dovuto svolgere ricerche più basilari. Si è concentrato sul tentativo di utilizzare molecole organiche per realizzare sostituti più piccoli ed economici per i transistor al silicio (vedi Computing After Silicon, settembre/ottobre 1999). Dopo alcuni anni, è stato in grado di realizzare dispositivi con il giusto tipo di comportamento simile a un interruttore inserendo molecole chiamate rotaxani tra elettrodi di platino. Ma la loro performance è stata esasperatamente irregolare. Ci sono voluti anni di lavoro in più prima che Williams si rendesse conto che le molecole erano in realtà irrilevanti e che si era imbattuto in un'importante scoperta. L'effetto di commutazione proveniva da uno strato di titanio, usato come colla per incollare lo strato di rotaxano agli elettrodi. Più sorprendente, le versioni dei dispositivi costruiti attorno a quel materiale soddisfacevano una previsione fatta nel 1971 di un tipo completamente nuovo di dispositivo elettronico di base. Quando Leon Chua, professore all'Università della California, Berkeley, predisse l'esistenza di questo dispositivo, l'ortodossia ingegneristica riteneva che tutti i circuiti elettronici dovessero essere costruiti da soli tre elementi di base: condensatori, resistori e induttori. Chua calcolò che doveva essercene un quarto; fu lui a chiamarlo memristor, o resistore con memoria. La proprietà essenziale del dispositivo è che la sua resistenza elettrica, una misura di quanto inibisce il flusso di elettroni, può essere alterata applicando una tensione. Quella resistenza, una sorta di memoria della tensione che il dispositivo ha sperimentato in passato, può essere utilizzata per codificare i dati.

Packard e Hewlett nel 1964.

L'ultima manifestazione di HP del componente è semplice: solo una pila di sottili pellicole di biossido di titanio spesse pochi nanometri, racchiuse tra due elettrodi. Alcuni degli strati della pila conducono elettricità; altri sono isolanti perché sono privi di atomi di ossigeno, conferendo al dispositivo nel suo insieme un'elevata resistenza elettrica. L'applicazione della giusta quantità di tensione spinge gli atomi di ossigeno da uno strato conduttore a uno isolante, consentendo alla corrente di passare più facilmente. Il ricercatore Jean Paul Strachan lo dimostra usando il mouse per fare clic su un pulsante contrassegnato con 1 sullo schermo del suo computer. Ciò fa sì che uno stretto flusso di atomi di ossigeno fluisca brevemente all'interno di uno strato di biossido di titanio in un memristor su un vicino wafer di silicio. Abbiamo appena creato un ponte attraverso il quale gli elettroni possono viaggiare, dice Strachan. I numeri sul suo schermo indicano che la resistenza elettrica del dispositivo è diminuita di un fattore mille. Quando fa clic su un pulsante contrassegnato con 0, gli atomi di ossigeno si ritirano e la resistenza del dispositivo aumenta di nuovo. La resistenza può essere commutata in questo modo in pochi picosecondi, circa mille volte più velocemente degli elementi di base della DRAM e utilizzando una frazione dell'energia. E soprattutto, la resistenza rimane fissa anche dopo lo spegnimento della tensione.

Quando Williams ha annunciato il memristor nel 2008, è iniziato quello che ora chiama un giro sulle montagne russe, perché i risultati della ricerca di base sono rapidamente progrediti fino a diventare un progetto di sviluppo cruciale per HP. A volte l'adrenalina può essere un po' opprimente, dice. I memristori sono stati l'occupazione principale del suo team dal 2008 e nel 2010 HP ha annunciato di aver raggiunto un accordo con il produttore sudcoreano di chip di memoria SK Hynix per commercializzare la tecnologia. A quel tempo, HP si stava concentrando sull'ottenere i memristori per sostituire la memoria flash nei computer convenzionali. Poi, nel 2012, Fink ha accumulato maggiore pressione mettendo i ricordi al centro del suo progetto per la Macchina.

Affare rischioso

L'uso dei memristori, sia in sostituzione della memoria flash che come base per la Macchina, richiederebbe il loro confezionamento in chip di memoria che combinano una fitta schiera di dispositivi con i circuiti di controllo del silicio convenzionali. Ma tali chip non esistono al momento. E non è chiaro quando HP sarà in grado di ottenerne qualcuno. Spetta a un produttore di chip come SK Hynix sviluppare chip memristor affidabili adatti alle sue linee di produzione. Finora invia wafer di silicio HP con memristori che possono essere testati individualmente, non utilizzati in un computer.

Fink e Williams affermano che il primo prototipo di chip di memoria potrebbe arrivare l'anno prossimo. (Le precedenti dichiarazioni di Williams sembravano che la tecnologia sarebbe arrivata sul mercato nel 2013, ma lui e Fink affermano che queste osservazioni sono state interpretate erroneamente.) Un portavoce della Hynix, Heeyoung Son, ha rifiutato di commentare se il 2016 sia fattibile. Non esiste una linea temporale specifica, ha detto. Ci vorrà del tempo per raggiungerlo.

In alto, un primo piano di memorie su un wafer di silicio. Di seguito, un dettaglio in un prototipo della Macchina.

Edwin Kan , un professore della Cornell University che lavora sulla tecnologia della memoria, afferma che i progressi sui memristori e dispositivi simili sembravano bloccarsi quando le aziende hanno cercato di integrarli in chip densi e affidabili. Sembra promettente, ma sembra promettente da troppo tempo, dice.

Dmitri Strukov, uno degli ex collaboratori di Williams presso HP, afferma che i memristori devono ancora superare un test chiave. Strukov, assistente professore presso l'Università della California, Santa Barbara, e autore principale del documento del 2008 che annunciava il memristor, afferma che mentre le pubblicazioni tecniche rilasciate da HP e SK Hynix hanno dimostrato che i singoli memristori possono essere cambiati trilioni di volte senza fallire, non è ancora chiaro che gli array di grandi dimensioni funzionino allo stesso modo. Non è banale, dice.

Stanley Williams afferma che il memristor offrirà una combinazione senza rivali di velocità, densità ed efficienza energetica.

Circondato da prototipi di memorie nel suo laboratorio, Williams dice allegramente che la sua fiducia nella tecnologia rimane alta. Se avessi pensato che sarebbe arrivato qualcos'altro, sarebbe stato meglio, ci sarei saltato sopra in un femtosecondo, dice. Williams tiene un grafico sul muro che riassume la concorrenza di una manciata di altre tecnologie di memoria che aziende come IBM e Samsung stanno posizionando come sostituti della flash. Quelle aziende e HP si trovano in fasi simili: si registrano progressi, anche se il futuro commerciale dei loro dispositivi non è chiaro. Ma Williams dice che nessuna delle altre tecnologie ha una buona combinazione di velocità, densità ed efficienza energetica come i memristori. Anche se la prima generazione di chip memristor deve ancora essere introdotta, il suo gruppo sta già cercando modi per le generazioni successive di confezionare sempre più dati. Questi includono l'impilamento dei memristori in strati e la memorizzazione di più di un singolo bit in ciascun memristore.

Nel laboratorio accanto, i ricercatori stanno lavorando su connessioni dati ottiche abbastanza compatte da collegare i componenti all'interno di un computer. Ma questo progetto è ancora in una fase precedente. Gli ingegneri di HP possono mostrare un wafer di silicio ricoperto da minuscoli laser, ciascuno largo un quarto di un capello umano, e utilizzarli per pulsare la luce verso le sottili fibre ottiche. I laser devono essere confezionati in piccoli chip e aggiunti ai circuiti stampati della Macchina per collegare la sua memoria e i processori. I computer esistenti utilizzano fili metallici per questo, perché la tecnologia di connessione ottica convenzionale è troppo ingombrante. Fink prevede che questo sarà l'ultimo dei componenti della Macchina ad essere pronto, verso la fine del decennio.

Quando arriverà quel momento, la prima versione completa della Macchina potrebbe essere noleggiata per consentire alle aziende o alle università di accedere in remoto per l'analisi dei dati su larga scala, afferma Fink. Subito dopo, i server in stile macchina saranno disponibili per l'acquisto. Inizierà anche il lavoro per ridimensionare il nuovo computer per l'uso in altri tipi di dispositivi, come laptop, smartphone e persino TV via cavo, afferma.

Se tutto va secondo i piani, la Hewlett Packard Enterprise avrà cinque anni quando la prima versione della Macchina potrà andare in suo soccorso. Ma il mercato potrebbe non essere molto più accogliente di quanto non lo sia oggi per l'attività esistente di HP.

Le nuove tecnologie informatiche tendono ad essere costose e difficili da usare. L'interesse per i server HP sta diminuendo perché i servizi cloud offrono alle aziende l'esatto opposto: un'alternativa più economica e semplice ai servizi che un tempo dovevano essere costruiti internamente. È probabile che anche le aziende che acquistano i propri server continueranno a vedere miglioramenti significativi delle prestazioni grazie ai continui aggiornamenti di tecnologie come il networking e lo storage per diversi anni, afferma Doug Burger , ricercatore senior presso Microsoft. Una porta inviolata è grandiosa perché puoi ridefinire tutto, ma devi ridefinire tutto, dice. I progetti dirompenti e di successo in architetture di sistema molto complesse sono piuttosto rari.

Fink sostiene che i suoi ricercatori possono creare strumenti che facilitino il processo di migrazione verso lo strano nuovo futuro dell'informatica. E pensa che le aziende diventeranno più aperte ad abbracciare una nuova piattaforma man mano che gli aggiornamenti incrementali ai computer convenzionali inizieranno a produrre rendimenti decrescenti.

In qualche modo paradossalmente, Fink dice anche che la prospettiva di non riuscire a consegnare la Macchina non lo turba affatto. HP può fare affidamento sulla vendita di chip memristor e interconnessioni fotoniche come modi per aggiornare l'architettura difettosa dei computer odierni, afferma, sebbene HP non sia nel business della produzione di componenti oggi. Stiamo guadagnando molto in questo modo, dice. Non è tutto o niente.

Le lotte di HP sembrano suggerire esattamente il contrario.

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