Najveći preokret u računalstvu za 70 godina – Sovjetska tajna koja će promijeniti tehnologiju kakvu poznajemo

Duboko u srcu modernog računalstva postoji slijepa točka koja je prisutna već sedamdeset godina. Svi računalni čipovi na svijetu izgrađeni su na istom binarnom temelju – isključivo nulama i jedinicama. Nitko nije preispitivao ovu paradigmu, ali što ako je to bila samo povijesna slučajnost? Što ako računala nisu ograničena na samo dva stanja? Sovjetski su znanstvenici davno pokazali alternativu, a danas se ta revolucionarna ideja vraća zahvaljujući novim tehnološkim dostignućima.

Povijesni kontekst tronarnog računalstva

Tijekom 1950-ih Sovjetski Savez imao je snažan početak u računalnoj tehnologiji. Sovjeti su izgradili jedno od prvih digitalnih računala u Europi, a ubrzo nakon toga predstavili su BESM-1, stroj koji je nadmašio najbolje američko računalo tog vremena, UNIVAC I. Međutim, ova prednost nije dugo trajala.

Razlog sovjetskog zaostajanja bio je jasan. Dok je IBM u SAD-u proizvodio tisuće računala, u SSSR-u je svaki stroj bio gotovo ručno izrađen s oskudnim dijelovima i bez ekonomije razmjera. U takvom okruženju na Moskovskom državnom sveučilištu, inženjer Nikolaj Brusentsov i njegov mali tim našli su se u nezavidnoj situaciji. Binarni mainframe računalni sustavi bili su preskupi i zatvoreni unutar vladinih laboratorija, nedostupni akademskoj zajednici.

Brusentsov je odlučio pronaći drugačije rješenje – izgraditi novu vrstu računala, dovoljno jednostavnu da se može sastaviti s ograničenim resursima koje je imao na raspolaganju, a dovoljno jeftinu da studenti konačno mogu raditi na njoj. Nakon mjeseci istraživanja, upoznao je Sergeja Soboljeva, briljantnog matematičara koji ga je uveo u tronarnu matematiku, sustav izgrađen ne na dva, već na tri stanja.

Princip rada tronarnog računalstva

Brusentsov je tvrdio da je binarno računalstvo samo povijesna slučajnost. Releji i vakuumske cijevi imali su samo dva stanja, što je dovelo do 0 i 1 logike kao standarda. Od tada nitko to nije preispitivao – sve dok Brusentsov i njegov tim nisu odlučili isprobati nešto novo.

Započeli su rad na Setunu, prvom računalu na svijetu koje radi na temelju tri logička stanja. Umjesto binarnih bitova, Setun je koristio “tritove” koji su mogli predstavljati tri stanja umjesto dva. Ovi tritovi mogli su imati vrijednosti -1 za NE, 1 za DA i 0 za nešto između.

Ovo proširenje značilo je da se više podataka može obraditi u svakom računalnom koraku, a matematičke operacije mogu se izvršiti s manje poteza. Čak su i negativni brojevi postali jednostavniji jer nisu zahtijevali dodatni “bit predznaka”. Oduzimanje i zbrajanje postali su prirodno lakši. Brusentsov je ubrzo shvatio da se ova elegantna matematika može pretvoriti u sklopove koji su jednostavniji, učinkovitiji i daleko jeftiniji za izradu.

Setun – prvo tronarno računalo

Nakon dvije godine neprekidnog rada, 1958. godine, konačno su predstavili Setun, prvo tronarno računalo na svijetu. Proizvodnja je počela sljedeće godine u Tvornici matematičkih strojeva u Kazanu i trajala nekoliko godina.

Hardver je po današnjim standardima bio primitivan. Setun je sadržavao samo 2.000 magnetskih elemenata i 100 germanijskih tranzistora. No, impresivna stvar bila je to što je radio s vrlo malo komponenti i bio barem 10 puta jeftiniji od binarnih strojeva tog vremena. Prema istraživačkim radovima, Setun je koristio oko 30% manje dijelova nego binarni stroj.

Proizvedeno je oko 50 jedinica i poslano istraživačkim institucijama. Međutim, tvornica nije imala interes za povećanje proizvodnje i Setun je jednostavno ukinut. Nije propao zato što nije radio, već zato što Sovjetski Savez nije imao ni ekosustav ni političku volju za njegov daljnji razvoj. Dodatni problem bio je što je svijet već odabrao binarno računalstvo. Memorija, tranzistori, softver – cijela tehnološka infrastruktura bila je zaključana u dva stanja.

Povratak tronarnog računalstva

Danas, kada umjetna inteligencija troši energiju kao nikad prije, a podatkovni centri guraju električne mreže do granica, računalstvo ponovno udara u isti zid koji je Brusentsov vidio 1950-ih. Binarno računalstvo možda nije dovoljno.

S naprednom proizvodnjom čipova i novim poluvodičkim materijalima, tronarno računalstvo moglo bi konačno imati svoj trenutak. Huawei je nedavno dokazao da je to moguće.

Svaki današnji računalni čip izgrađen je od sitnih uređaja koji se zovu tranzistori. Ovi uređaji prebacuju se između dva stanja. Klasični tranzistor to čini prebacivanjem na određenoj razini praga. Možemo zamisliti razinu praga kao razinu strpljenja osobe. Ako nekoga malo uznemirite, ništa se ne događa. Ali ako prijeđete tu razinu, dobijete reakciju. Tako funkcionira tranzistor. To je temelj binarne logike iza svih modernih čipova.

Sada zamislite da redoviti tranzistor ima samo jednu razinu praga. Ali ako želimo izgraditi tronarno računalo, moramo dodati nešto dodatno. Trebamo uređaj koji može jasno razlikovati tri različita stanja. To možemo postići davanjem tranzistoru dvije razine praga umjesto jedne. To je ključ za otključavanje tri stanja.

Huaweijev proboj u tronarnom računalstvu

Huawei je nedavno predstavio svoj novi tronarni čip na 7 nm tehnologiji. Trik je u posebnim uređajima, posebnim tranzistorima koji nemaju jednu, već dvije razine praga. Ovo omogućuje čipu jasno razlikovanje između tri različita stanja. Odatle su ponovno izgradili sve temeljne blokove, uključujući logička vrata i memoriju.

Tronarni memorijski element sada može pohraniti tri vrijednosti umjesto dvije, što znači više podataka u manjem prostoru. Ovo možemo ilustrirati jednostavnim primjerom, AND logičkim vratima. Odabrali smo ova vrata jer su vrlo jednostavna, osnovna, ali istovremeno bitan dio svakog računalnog čipa.

U binarnoj logici s nulama i jedinicama, AND vrata imaju 4 moguće kombinacije. U tronarnom čipu svaki ulaz može biti -1, 0 ili +1, što daje 27 mogućih kombinacija. U ovoj novoj postavci, AND vrata vraćaju najnižu vrijednost. Ako na ulazu imate +1 i +1, dobivate +1. Ako imate +1 i 0, dobivate 0. Bilo što s -1 daje -1.

Prednosti tronarnog računalstva

Najveće obećanje tronarnog računalstva je učinkovitost na velikoj skali. U vrijeme kada treniranje masivnih neuronskih mreža predstavlja višemilijunski račun za električnu energiju, tronarni čipovi mogli bi smanjiti potrošnju energije i ubrzati procese. U podatkovnom centru to bi moglo značiti smanjenje potrošnje energije za trećinu uz povećanje propusnosti.

Huaweijev novi patent pokazao je da njihov novi čip koristi 40% manje uređaja, 60% manje energije i radi 20% brže. Ali postoji još jedna stvar o patentima. Patenti su složeni. Najveći proboji često nikada ne budu patentirani. To znači da se iza kulisa može događati mnogo više nego što trenutno vidimo.

Izazovi implementacije

Tronarni čipovi još uvijek su digitalni, ali budući da koriste tri stanja, nalaze se na pola puta prema analognom. Imamo digitalne čipove koji su binarni, s dva stanja, i analogne čipove koji imaju beskonačno stanja, a između njih su tronarni čipovi. To bi mogao biti savršen kompromis.

Ali postoji zamka – šum. Tronarni uređaj mora razlikovati tri različita stanja, ne samo dva. I najmanji šum ili greška u proizvodnji može ih zamagliti, uzrokujući pogreške. Izgradnja pouzdane tronarno logike u velikim razmjerima izuzetno je teška.

Ne smijemo zaboraviti da je današnji cijeli poluvodički ekosustav izgrađen za binarni softver, memoriju, kompilere – sve. To je bio izazov 1950-ih i nije nestao.

Budućnost tronarnog računalstva

Rješenje bi moglo biti u grafenu i ugljičnim nanocijevima tranzistorima. To su sitne smotane listove grafena širine samo nekoliko nanometara. Oni su savršeno odgovarajući za tronarnu logiku jer njihova veličina prirodno određuje kako se prebacuju. Mijenjanjem promjera nanocijevi možete jasno postaviti tri logičke razine.

Prednosti grafena idu daleko izvan toga. Grafen može prenositi električnu energiju nevjerojatno brzo, čak i pri vrlo niskoj snazi. Za bilo koju vrstu čipa to znači hladnije procesore, dulje trajanje baterije i velike uštede energije u podatkovnim centrima. Zato TSMC i IMEC ulažu u njega kao jedan od najjačih puteva za eru nakon silicija.

Jedan od nedavnih IEEE radova pokazao je tronarni čip izrađen s tranzistorima od ugljičnih nanocijevi na 32 nm. Rezultat je 45% manja površina i 30% manje energije za iste AI operacije koje danas obavljaju binarni čipovi.

Za kraj

Hoće li tronarno računalstvo zamijeniti binarno? Vjerojatno će naći svoje mjesto uz binarno za aplikacije gdje ga najviše trebamo. Povijest nam pokazuje da najveće revolucije u računalstvu i šire ne dolaze od više istog, već od hrabrosti da se pokuša nešto potpuno drugačije.

Setun, sovjetsko tronarno računalo iz 1950-ih, bio je vizionarski projekt koji je došao prerano za svoje vrijeme. Danas, s Huaweijevim novim tronarnim čipovima i istraživanjima u području grafena i ugljičnih nanocijevi, ta se revolucionarna ideja vraća s potencijalom da promijeni računalnu industriju.

Tronarno računalstvo moglo bi biti ključno za rješavanje nekih od najvećih izazova moderne tehnologije, uključujući energetsku učinkovitost i sposobnost obrade sve većih količina podataka. Dok svijet nastavlja tražiti inovativna rješenja za ove probleme, lekcije od pionira poput Nikolaja Brusentsova i njegovog tima postaju relevantnije nego ikad prije.