Men en sak är säker. AI behöver bättre muskler om den ska lyckas göra någonting överhuvudtaget, utöver det den gör för tillfället. Bättre, effektivare och mer energisnål hårdvara. För låt oss säga som det är: de nuvarande processorerna börjar vara ganska... diesel.
Datorerna har förvisso blivit fantastiskt mycket effektivare och snabbare bara sedan jag var ung. Vilket nu har gett oss artificiella intelligenser som skriver skoluppsatser åt våra barn och gör vacker konst åt oss. Mestadels plagierad från mänsklig konst, men vacker.
Men den nuvarande hårdvaran, de kiselbaserade processorerna, tycks ha kört in i en vägg. De har stagnerat. De blir inte längre snabbare. De slukar dessutom en massa energi. Vi behöver en ny lösning, en ny generation av datorer med en ny sorts processorer som verkligen lyfter saker och ting till nästa nivå.
Lyckligtvis, eller dessvärre, om du tror att AI är bringaren av domedagen, finns det flera olika lösningar på just det här problemet som testas för fullt just nu. I veckans Kvanthopp ska vi ta en titt på begränsningarna som den nuvarande datorteknologin dras med, men också på några av de intressantaste kandidaterna till nästa generations processorer som driver framtidens artificiella intelligenser och din framtida smarttelefon.
Den energislukande digitala revolutionen
Det sägs att det inte existerar någonting sådant som en gratis lunch. Nå, inte finns det heller någonting sådant som en gratis googling. Eller en gratis streaming.
Den digitala revolutionen har hittills varit hyfsat oblodig, men törstig, det är den. Det råder lite olika åsikter om exakt hur stor den är, andelen av världens resurser som den digitala ekonomin slukar. Men den är – betydande.
En beräkning landar på att ungefär en procent av världens CO2-utsläpp genereras av folk som streamar video med sina smarttelefoner.
Bitcoin, världens största kryptovaluta, förbrukar för närvarande uppskattningsvis 150 terawattimmar el årligen – mer än vad Argentina med sina 45 miljoner invånare förbrukar. Att producera den energin släpper ut cirka 65 megaton koldioxid till atmosfären årligen – jämförbart med utsläppen från Grekland.
Smarttelefoner, datorer, smart-TV, alla de digitala tjänster som vi tar för givna numera – jo, inklusive Yle Arenan där du kanske lyssnar på det här – står för cirka sju procent av världens elförbrukning just nu. IT-sektorns behov av el förväntas dessutom växa med 50 procent till 2030 då den kommer att uppgå till 3 200 TWh.
”Jamen vadå, min lilla smarttelefon, den drar ju inte några stora mängder energi!” Nej, och inte ens alla världens smarttelefoner sammanlagda gör det. Problemet är inte din telefon. För det är inte där som ettorna och nollorna du konsumerar genereras.
Problemet är de stora datorhallarna med sina oändliga rader av servrar. En fullspäckad datorhall kan sluka åtskilliga kilowatt per kvadratmeter. All elkraft som servrarna förbrukar omvandlas efter hand till värme som behöver transporteras bort. För mindre datorhallar räcker det att kyla med frisk luft utifrån, men större anläggningar kräver fjärrkyla. Och det säger sig självt att det här är otroligt energikrävande.
Det har beräknats att Irland, som har en särskilt stor IT-sektor, kommer att behöva lägga en fjärdedel av hela sin årliga elproduktion på datorhallarna fram till slutet av det här årtiondet.
Och en betydande del av den här ökningen kommer att komma från den artificiella intelligensens ökade behov av energi.
Att ”utbilda” en AI har sin prislapp
Ett aktuellt exempel: AI:n som alla talar om just nu, chattboten ChatGPT är avknoppad från det större och äldre protokollet GPT-3. GPT-3 är en så kallad autoregressiv språkmodell som använder djupinlärning för att producera människoliknande text.
Djupinlärning, eller djup maskininlärning, är för en gångs skull (i de här sammanhangen) precis vad det låter som. Algoritmen sätts på skolbänken, liksom. I djupinlärningsskolan får den artificiella intelligensen kontinuerligt analysera data med en logisk struktur som liknar hur människan drar slutsatser. Neurala nätverk kallas den här strukturen också.
Att träna upp en AI till den nivå som får oss att höja imponerat på ögonbrynen, är inte gratis. Det kostar stora mängder energi. Det har uppskattats att träningen som GPT-3 har genomgått, hittills har förbrukat 1 287 MWh, vilket har släppt ut 552 ton koldioxid.
Och det här är alltså bara en AI bland många. Och det inkluderar inte själva användningen av AI:n, som när du ber den komponera en meny för din födelsedagsmiddag, eller någonting.
Och det borde ju vara uppenbart för de flesta som är kapabla att addera två plus två, att det här är inte hållbart. Vi kan inte fortsätta så här. Vi behöver helt nya lösningar. Framför allt behöver vi nya, mer energisnåla processorer, för de gamla kiselbaserade processorerna börjar som sagt anlända till ändhållplatsen för vad de kan prestera.
De kiselbaserade chippen, de så kallade integrerade kretsarna, utgör ju inte bara grunden för de stora datorhallarna, utan för så gott som all elektronik runt omkring oss just nu. Det är de som gör saker ”smarta”. Allt från din telefon till din elektriska tandborste.
Vad är de egentligen, hur funkar de? Tja, på sin mest grundläggande nivå består en integrerad krets av transistorer. Massvis med transistorer gjorda av så kallade halvledarmaterial. Processorn i hjärtat av din smarttelefon innehåller tiotals miljarder transistorer, allting inträngt på en platta av kisel, stor som din tumnagel.
Och vad är transistorerna då? Jo, de är mikroskopiskt små digitala avbrytare med två olika lägen: på och av. Antingen låter de en elström passera genom sig, eller inte. Och på det digitala språket, på maskinernas språk, står på och av ju för ett och noll. Och ett och noll är grunden för den binära kod som alla datorer använder sig av.
Miniatyriseringen når sin gräns
Sättet som datorindustrin har gjort datorerna allt snabbare och effektivare genom årtiondena, är att de har krympt ned transistorerna till allt mindre storlek. Det här har som sagt lett till chip med fler och fler transistorer, och ju fler transistorer, desto effektivare dator.
Samtidigt som datorerna har blivit effektivare, har de också krympt i storlek. En dator som på sextiotalet tog upp ett helt rum, ryms nu i din ficka. Plus att datorn i din ficka är oerhört mycket effektivare än jättedatorn i det där rummet på 60-talet. Och den är samtidigt oerhört mycket billigare. Och oerhört mycket energisnålare.
Allt det här har lett till det som vi idag kallar den digitala revolutionen.
Problemet som datorindustrin nu står inför, är att de fysiska gränserna för hur små du kan göra de enskilda transistorerna, nu börjar komma emot. De nuvarande, mest avancerade transistorerna mäts i nanometer, vi snackar om fem nanometer. Mindre än ett virus. Det finns komponenter i dagens mest avancerade elektronik vars tjocklek är densamma som för en atom.
Det betyder att komponenterna inte längre kan göras mindre än de redan är. Miniatyriseringen har kört i väggen. Och när transformatorerna inte längre kan göras mindre, kan datorerna inte heller bli effektivare. Moores lag, den gamla tumregeln formulerad på sextiotalet, om att datorernas effekt fördubblas med två års mellanrum, som hittills har hållit streck rätt så väl, den håller nu på att klappa ihop.
Samtidigt blir datorerna inte heller energisnålare som de brukade bli med tiden.
Med andra ord, om vi verkligen vill frigöra den artificiella intelligensens fulla kapacitet – även om vissa ju ifrågasätter hur smart det är – kommer vi att få se oss om efter nya material, nya datorer och nya sätt att programmera dem. Visst, det kan vara en grej att börja stapla transistorerna på höjden på chippet, att göra en smörgåstårta av dem liksom. Men det är hur som helst bara en tillfällig lösning, och det innebär att kylningen blir svårare att förverkliga.
Så vi får lov att tänka lite mer utanför lådan, som det heter på konsultjargong.
Och lyckligtvis så finns det gott om uppstartsföretag och utvecklingsprogram inom de stora datorföretagen som siktar på just det här.
Vi låter AI själv säga sin åsikt
Så vilka är då de huvudsakliga spåren som utvecklingen löper längs just nu? Jag beslöt att låta frågan gå till, vem annars, ChatGPT, den redan nämnda chatbotten, AI:n som har fängslat en hel värld. Så, ChatGPT, vilka är våra bästa alternativ som du ser det?
ChatGPT svarar så här: ”Det finns flera potentiella alternativ till datorchips av kisel som för närvarande undersöks och utvecklas, inklusive:” Och sedan kommer en lista i fem punkter. Jag tänkte alltså härnäst beta av de punkterna.
Nummer ett, som ChatGPT ser det: processorer med transistorer gjorda av kolnanorör istället för kisel.
”Kolnanorör”, skriver ChatGPT, är ”cylindriska strukturer gjorda av kolatomer som har unika elektroniska egenskaper, vilket gör dem lämpliga för användning i transistorer och andra elektroniska enheter”. Låt oss alltså titta närmare på det.
”Cylindriska strukturer”, det är ju ordet ingenjören säger när hen menar ”rör”. Och det är vad de här små sakerna är. Med betoning på små. Mycket små.
Tänk dig ett litet ark, liksom ett mikroskopiskt pappersark, men det består av kolatomer. Arket är ett atomlager tjockt. Rulla ihop det här arket, rulla det så tight, så tunt och litet som du kan. Och vips har du ett rör. Ett rör i nanometerstorleken. Ett kolnanorör.
Kolnanoröret i fråga är alltså ungefär en hundratusendel av tjockleken på en av dina ögonfransar. Det är hundra gånger mindre än ett virus.
Och det som gör kolnanoröret användbart i det här sammanhanget, i jakten på effektivare och energisnålare datorer, är att kolnanorör är superbra på att leda elektricitet. De är typ bättre på det än något annat material som vi känner till.
Elektronerna halkar glatt ned längs kolnanoröret som en femåring i en vattenrutschbana, hela dagen lång. Mycket kvickare än samma elektroner rör sig genom en halvledare i ett kiselchip.
I praktiken betyder det här att du kan få kolnanoröret att fungera som en transistor. En som kan växla mellan ett och noll mycket snabbare än en traditionell transistor i ett kiselbaserat chip kan göra. Det leder till mycket snabbare processorer.
Mycket energisnålare än kisel
Du behöver också använda en mycket mindre spänning till att slå dem på och av. Det här, i sin tur, betyder att de behöver mycket mindre elektricitet än chippar baserade på kisel. Omkring tusen gånger mindre, faktiskt.
En annan fördel med kolnanorör är att de kan framställas i betydligt svalare temperaturer, i vissa fall redan i rumstemperatur. Kisel har däremot en smältpunkt på 1410 grader Celsius, vilket betyder att tillverkningsprocessen blir väldigt energikrävande.
Kol är dessutom busbra på att leda värme, så kolbaserade transistorer kan därför göra sig av med överskottsvärme mycket snabbare än kiselbaserade. De tål också värme väldigt bra, vilket i teorin betyder att kolnanorörsprocessorer skulle gå att göras mycket kompaktare. Med andra ord, ännu mindre processorer med ännu mer effekt.
Den första kolnanorörsdatorn byggdes faktiskt redan 2013 av forskare vid Stanford University. Den här enbitsprocessorn kallad Cedric, körde på 1KHz och innehöll ynka 178 transistorer. Sedan dess har många forskarteam världen över byggt allt mer komplexa processorer med kolnanorör. 2019 skapade ett team av ingenjörer från MIT i USA en programmerbar 16-bitars, 15 000 transistorers kolnanorördator kallad RV16X-NANO.
Den största utmaningen just nu är att lära sig rada upp enorma mängder kolnanorör på ett chip i tillräckligt prydliga och välstrukturerade rader. Och sedan gäller det att lära sig massproducera de här chippen. Och det är inte helt lätt, om vi säger så.
Konsensus bland experterna just nu är att kolnanorörsprocessorn har en otrolig potential, den är ett av de stora framtidslöftena. Men å andra sidan, säger kritikerna, den har varit det de senaste tjugo åren. Så vi får väl se. Utvecklingen går vidare, men flera stora utmaningar återstår ännu att övervinna.
Hur övertyga de stora datortillverkarna?
En av de största utmaningarna är att få med de stora datortillverkarna. De har under årtiondena byggt upp hela halvledarindustrin uttryckligen på kiseltransistorer. Enorma penningsummor har plöjts ned i just den här tekniken. En ny halvledarfabrik kan kosta tio-tjugo miljarder euro och tar åratal att bygga.
Att få tillverkarna att sadla om till en helt ny, obekant och åtminstone till en början väldigt dyr teknik, det kommer att kräva en hel del övertygande. En utmaning som inte bara gäller kolnanorörstekniken, utan också alla andra utmanare till kiselprocessorn.
Det handlar för övrigt inte bara om hårdvaran här. Samma logik gäller också kodarna och användarna. Också de måste vänjas vid en helt ny teknik med nya egenskaper och nya krav på programmeringen.
Men okej då, vi fortsätter. Alternativ processorteknik nummer två som ChatGPT föreslår är processorer baserade på grafen, det länge hajpade supermaterialet.
”Grafen”, skriver ChatGPT, ”är ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter. Den har hög elektronrörlighet, vilket gör den lämplig för användning i transistorer och andra elektroniska enheter.”
Nå jo, fast det här är i princip samma avdelning som punkt 1. Kolnanorör är alltså vad du får om du rullar ihop ett ark av grafen. Grafen består av kolatomer ordnade i ett hexagonalt mönster, i ett lager som är en atom tjockt, vilket ger materialet ett antal unika egenskaper beroende på hur du viker det eller rullar det eller staplar flera lager på varandra. Det är i princip bara fantasin som sätter gränserna här.
Så tack, ChatGPT, men vi måste tänka ännu mer utanför lådan nu. Vi ska se, vad har du på punkt tre?
Fotonik – ljuset som informationsbärare
Det här är onekligen spännande. Nu byter vi alltså elementarpartikel. ”Elektronik” är ju, som namnet antyder, elektroner som rusar runt genom koppartrådar och kolnanorör eller vilket medium man nu råkar välja. Hur som helst så är det elektronerna, elektricitetens små skottspolar, som bär på datan.
Fotonik utnyttjar, som namnet säger, ljus för samma ändamål. Där som elektricitet bygger på elektroner som svischar runt, bygger ljus på fotoner.
Fotoner används redan nu för att förmedla data. Ta en optisk fiber som exempel. Det är fotoner, ljuspulser, som kilar genom fibrerna och förmedlar internet och Yle Arenan hem till, ja, kanske just dig.
Optiska fibrer används till att länka samman kontinenterna, det löper optiska fibrer tvärs över Stilla havets botten. Och varför nu det, varför inte koppartrådar? Nå för att knuffa den mängd elektroner som krävs för att förmedla internet genom en kopparkabel, över hela Stilla havet, skulle det krävas helt bisarra mängder energi. Och signalen skulle försvagas på tok för mycket på vägen.
Så om du kan omvandla dina data till fotoner istället för elektroner, kan du sända dem både snabbare – ljusets hastighet, det snabbaste som finns – och energisnålare.
En annan fördel med optiska signaler är att du kan skicka flera parallella signaler genom en optisk fiber, färgkodade så att säga, alla med sina egna specifika våglängder, allt på en och samma gång.
Konceptet med att bygga själva datorerna så att de baserar sin interna kommunikation på ljus istället för elström, är långt ifrån nytt. Problemet har hittills varit att själva processorerna, halvledarna, fortfarande är kiselbaserade och jobbar med elektroner. Alltså elektricitet. Ström = 1, ingen ström = 0.
Det går att tänka sig hybridmodeller där den elektiska signalen någonstans på vägen omvandlas till en fotonisk signal, men ”simultanöversättning” av den här sorten är besvärlig och energikrävande.
Så vad som skulle krävas är en processor med fotoner som sitt ”modersmål” så att säga, eller som kan hantera både elektroner och fotoner parallellt. Då kommer vi in på någonting kallat kiselfotonik. Det vill säga, utforskningen och tillämpningen av fotoniska system som använder ”gammalt hederligt” kisel som ett optiskt medium.
Fördelen med sådana här kiselfotoniska processorer är att de sparar pengar åt datortillverkarna. De kan tillverkas med hjälp av befintliga processer för halvledartillverkning, och eftersom de flesta integrerade kretsar redan bygger på kisel, är det i teorin möjligt att integrera de optiska och elektroniska komponenterna på ett enda mikrochip.
Följaktligen forskar flera av elektronikjättarna, inklusive IBM och Intel, i det här som ett sätt att få till stånd en snabbare dataöverföring både mellan mikrochips och inuti dem.
Var håller revolutionen hus?
Förespråkarna för kiselfotoniken hävdar att vi står inför en riktig datorrevolution som kommer att förändra världen, men – tja. Precis som med kolnanorörens förespråkare, har det här evangeliet låtit så här i årtionden nu. Ännu har vi inte sett någon revolution. Men arbetet fortsätter, så det kan vara någonting stort alldeles bakom hörnet. Eller så inte. Vi får väl se.
Nåväl. Vi har nu betat igenom tre av de fem – enligt AI själv – mest lovande modellerna för nästa generations datorer som tar AI-revolutionen till nästa steg och räddar klimatet på en och samma gång. Mycket mer hinner vi dessvärre inte med i veckans Kvanthopp.
Helt kort om nummer fyra på listan – spinntronik. Spinntronik är en teknik som använder elektronernas spinn istället för deras laddning för att lagra och bearbeta information. Spinn är alltså en kvantfysikalisk egenskap som partiklar har. Och genom att bolla med den här aspekten tror vissa att man skulle kunna komma på smartare sätt att, framför allt, lagra och överföra data.
Också det här är en hyfsat lovande framtidsteknologi som vi får lov att återkomma till – något tag i framtiden.
Samma kan konstateras om ChatGPT:s förslag nummer fem på listan över nästa generations datorteknologi – kvantdatorn, som ju också bygger på att man trixar med partiklarnas kvanttillstånd och -egenskaper. Jag har talat om kvantdatorer flera gånger här i Kvanthopp. Och kvantdatorn är ju sannerligen den ultimata ”game changern” som kommer att förändra världen på sätt som vi inte ens kan föreställa oss – om och när den blir verklighet på bred front.
Men det är en annan femma, sade bonden när han skrev en sjua.