Sueños de máquina

Hay un santuario dentro de la sede de Hewlett-Packard en Palo Alto, en el corazón de Silicon Valley. En un extremo del edificio de investigación de HP, se conservan cuidadosamente dos habitaciones interconectadas con muebles gastados de mediados de siglo, vacíos durante décadas. Desde estas oficinas, William Hewlett y David Packard llevaron a los ingenieros de HP a inventar productos innovadores, como la calculadora programable del tamaño de una máquina de escribir de 40 libras lanzada en 1968.

indefinido

Esta historia fue parte de nuestra edición de mayo de 2015

• Ver el resto del número
• Suscribir

En la era actual de los teléfonos inteligentes y la computación en la nube, los productos principales de HP también podrían parecer anticuados en poco tiempo. Los ingresos y las ganancias se han reducido significativamente en los últimos años, lo que ha llevado a la empresa a la crisis. HP se sostiene principalmente por las ventas de servidores, impresoras y tinta (sus PC y portátiles aportan menos de una quinta parte de las ganancias totales). Pero las empresas tienen menos necesidad de servidores ahora que pueden recurrir a los servicios en la nube administrados por empresas como Amazon, que compran su hardware a proveedores más baratos que HP. Los consumidores y las empresas dependen mucho menos de las impresoras que antes y no esperan pagar mucho por ellas.

HP ha eliminado más de 40.000 puestos de trabajo desde 2012 y se dividirá en dos empresas más pequeñas pero con problemas similares a finales de este año (una operación que costará casi 2.000 millones de dólares). HP Inc. venderá impresoras y PC; Hewlett Packard Enterprise ofrecerá servidores y servicios de tecnología de la información a corporaciones. Esta última empresa dependerá en gran medida de una división cuyos ingresos anuales cayeron más del 6 por ciento entre 2012 y 2014. Las ganancias se redujeron aún más rápido, más del 20 por ciento. IBM, el rival más cercano de HP, vendió su negocio de servidores a Lenovo de China el año pasado bajo presiones similares.

Y, sin embargo, en medio de esta crisis potencialmente existencial, HP Enterprise está trabajando en un proyecto de investigación arriesgado con la esperanza de impulsar una recuperación notable. Casi las tres cuartas partes de las personas en la división de investigación de HP ahora están dedicadas a un solo proyecto: un nuevo tipo de computadora poderosa conocida como la Máquina. Rediseñaría fundamentalmente la forma en que funcionan las computadoras, haciéndolas más simples y más poderosas. Si funciona, el proyecto podría actualizar drásticamente todo, desde servidores hasta teléfonos inteligentes, y salvar a HP.

Las personas podrán resolver problemas que no pueden resolver hoy, dice Martin Fink, director de tecnología de HP e impulsor del proyecto. La Máquina les daría a las empresas el poder de abordar conjuntos de datos mucho más grandes y complejos que los que pueden manejar hoy en día, dice, y realizar los análisis existentes quizás cientos de veces más rápido. Eso podría conducir a avances en todo tipo de áreas donde el análisis de la información es importante, como la medicina genómica, donde las máquinas de secuenciación de genes más rápidas están produciendo una gran cantidad de nuevos datos. La Máquina requerirá mucha menos electricidad que las computadoras existentes, dice Fink, lo que hará posible reducir drásticamente las grandes facturas de energía generadas por los almacenes de computadoras detrás de los servicios de Internet. El nuevo modelo de computación de HP también está destinado a aplicarse a dispositivos más pequeños, permitiendo que las computadoras portátiles y los teléfonos duren mucho más con una sola carga.

Sería sorprendente para cualquier empresa reinventar el diseño básico de las computadoras, pero especialmente para HP hacerlo. Recortó trabajos de investigación como parte de los esfuerzos de reducción de personal hace una década y gasta mucho menos en investigación y desarrollo que sus competidores: $ 3.4 mil millones en 2014, el 3 por ciento de los ingresos. En comparación, IBM gastó 5.400 millones de dólares (6 por ciento de los ingresos) y tiene una tradición mucho más larga del tipo de investigación básica en física e informática que requerirá la creación del nuevo tipo de computadora. Para que el sueño de Fink's Machine se haga realidad por completo, los ingenieros de HP necesitan crear sistemas de láseres que encajen dentro de chips de computadora del tamaño de la yema de un dedo, inventar un nuevo tipo de sistema operativo y perfeccionar un dispositivo electrónico para almacenar datos que nunca antes se haya usado en computadoras. .

Lograrlo sería una hazaña virtuosa tanto de la ingeniería informática como de la corporativa.

nuevo plano

En 2010, Fink dirigía la división de HP que vende servidores corporativos de alta potencia y se sentía un poco paranoico. Los clientes acudían en masa a las nuevas empresas que ofrecían almacenamiento de datos basado en chips de memoria flash rápidos y de bajo consumo como los que se encuentran dentro de los teléfonos inteligentes. Pero HP solo vendía la tecnología de almacenamiento más lenta y establecida de los discos duros. No estábamos respondiendo con suficiente agresividad, dice Fink. Estaba frustrado porque no estábamos pensando lo suficientemente lejos en el futuro.

Tratando de ver una manera de dar un salto adelante, se preguntó: ¿por qué no usar nuevas formas de memoria no solo para actualizar el almacenamiento de datos sino también para reinventar las computadoras por completo? Fink sabía que los investigadores de HP y otros lugares estaban trabajando en nuevas tecnologías de memoria que prometían ser mucho más rápidas que los chips flash. Él y su principal asesor técnico elaboraron un plan que usaría esas tecnologías para hacer que las computadoras sean mucho más poderosas y eficientes energéticamente.

Un documento interno sobre esa idea, con el título corporativo Unbound Convergence, no llegó a ninguna parte. Pero cuando Fink fue nombrado director de tecnología de HP y director de HP Labs dos años después, vio la oportunidad de resucitar su propuesta. Cuando miré a todos los equipos en Labs, pude ver que las piezas estaban allí, dice. En particular, HP estaba trabajando en un competidor para flashear, basado en un dispositivo llamado memristor. Aunque el memristor todavía estaba en desarrollo, a Fink le pareció que algún día sería lo suficientemente rápido y almacenaría datos con la densidad suficiente para hacer que su plan fuera realizable. Actualizó su propuesta anterior y le dio a la computadora un nombre que pensó que sería temporal: la Máquina. Se atascó.

The Machine es un intento de actualizar el diseño que ha definido las entrañas de las computadoras desde la década de 1970. Esencialmente, las computadoras están constantemente enviando datos de un lado a otro entre diferentes piezas de hardware que contienen información. Uno, conocido como almacenamiento, guarda tus fotos y documentos más el sistema operativo de la computadora. Consiste en discos duros o chips de memoria flash, que pueden acomodar una gran cantidad de datos en un espacio pequeño y retenerlos sin energía (los ingenieros lo llaman memoria no volátil). Pero tanto los discos duros como los chips flash leen y escriben datos muy lentamente en relación con el ritmo al que puede trabajar el procesador de una computadora. Cuando una computadora necesita hacer algo, los datos deben copiarse en la memoria a corto plazo, que utiliza una tecnología 10.000 o más veces más rápida: DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio). Este tipo de memoria no puede almacenar datos de forma muy densa y se queda en blanco cuando se apaga.

El sistema de almacenamiento y memoria de dos niveles significa que las computadoras gastan mucho tiempo y energía moviendo datos de un lado a otro solo para estar en condiciones de usarlos. Esta es la razón por la que su computadora portátil no puede iniciarse instantáneamente: el sistema operativo debe recuperarse del almacenamiento y cargarse en la memoria. Una limitación en la duración de la batería de su teléfono inteligente es la necesidad de gastar energía para mantener vivos los datos en DRAM, incluso cuando está inactivo en su bolsillo.

Eso puede ser una mera molestia para usted, pero es un dolor de cabeza costoso para las personas que trabajan en computadoras que hacen el tipo de procesamiento de números poderoso que se está volviendo tan importante en todo tipo de industrias, dice Yuan Yuan Zhou , profesor de la Universidad de California, San Diego, que investiga tecnologías de almacenamiento. Las personas que trabajan en problemas de uso intensivo de datos están limitadas por la arquitectura tradicional, dice. HP estima que alrededor de un tercio del código en una pieza típica de software de análisis de datos se dedica exclusivamente a hacer malabarismos con el almacenamiento y la memoria, no a la tarea en cuestión. Esto no solo reduce el rendimiento. Tener que transferir datos entre la memoria y el almacenamiento también consume mucha energía, lo cual es una gran preocupación para las empresas que ejecutan grandes colecciones de servidores, dice Zhou. Empresas como Facebook gastan millones tratando de reducir las enormes facturas de energía de sus almacenes de computadoras.

La Máquina está diseñada para superar estos problemas eliminando la distinción entre almacenamiento y memoria. Un solo gran almacén de memoria basado en los memristores de HP mantendrá los datos y los pondrá a disposición del procesador. Combinar memoria y almacenamiento no es una idea nueva, pero aún no ha habido una tecnología de memoria no volátil lo suficientemente rápida como para que sea práctica, dice Tsu-Jae King Liu, profesor que estudia microelectrónica en la Universidad de California, Berkeley. Liu es asesor de Crossbar, una startup que trabaja en una tecnología de memoria similar a un memristor conocida como RAM resistiva. Él y un puñado de otras empresas están desarrollando la tecnología como un reemplazo directo de la memoria flash en los diseños de computadoras existentes. Sin embargo, HP es el único que dice que sus dispositivos están listos para cambiar las computadoras de manera más radical.

Para hacer que la Máquina funcione tan bien como imagina Fink, HP necesita crear chips de memoria memristor y un nuevo tipo de sistema operativo diseñado para usar una sola memoria gigante. El modelo de Fink también requiere otras dos salidas del diseño de computadora habitual. Una es mover datos entre los procesadores y la memoria de la máquina usando pulsos de luz enviados a través de fibras ópticas, una alternativa más rápida y eficiente en energía al cableado de metal. La segunda es usar grupos de chips especializados de bajo consumo de energía, como los que se encuentran en los dispositivos móviles, en lugar de procesadores individuales de propósito general. Los procesadores de bajo consumo, fabricados por empresas como Intel, se pueden comprar hoy en día. HP debe inventar todo lo demás.

Ocupación Primaria

Nadie ha construido un sistema operativo fundamentalmente nuevo durante décadas. Durante más de 40 años, cada nuevo sistema operativo se ha construido o modelado sobre uno anterior, dice Rich Friedrich, director de software de sistema de Machine. La investigación académica sobre los sistemas operativos ha sido mínima porque los sistemas existentes son muy dominantes.

El trabajo de Friedrich y sus colegas será crucial. El software debe unir los diversos componentes inusuales de la Máquina en un sistema confiable diferente a cualquier otra computadora jamás construida. El grupo también tiene que ayudar a comercializar esa computadora. Si el sistema operativo no parece atractivo para otras empresas y programadores, los méritos técnicos de la Máquina serán irrelevantes. Por esa razón, HP está trabajando en dos nuevos sistemas operativos al mismo tiempo. Uno se basa en el sistema Linux ampliamente utilizado y se lanzará este verano, junto con el software para emular el hardware que necesita para funcionar. Linux ++, como se le llama, no puede hacer un uso completo de la potencia de la máquina, pero será compatible con la mayoría del software Linux existente, por lo que los programadores pueden probarlo fácilmente. Aquellos a quienes les guste podrán pasar al segundo nuevo sistema operativo de HP, Carbon, que no estará terminado hasta dentro de dos años o más. Se lanzará como código abierto, por lo que cualquiera puede inspeccionar o modificar su código, y está diseñado desde cero para liberar todo el poder de una computadora sin división entre almacenamiento y memoria. Al comenzar desde cero, dice Friedrich, este sistema operativo eliminará toda la complejidad, causada por años de actualizaciones además de las actualizaciones, que conduce a bloqueos y debilidades de seguridad.

Las pruebas con lo más parecido a una versión funcional de la Máquina, una simulación que se ejecuta dentro de un grupo de potentes servidores, dan una pista de lo que Carbon y la nueva computadora podrían ofrecer una vez que estén en funcionamiento. En una prueba, la Máquina simulada y una computadora convencional corrieron para analizar una foto y buscar en una base de datos de 80 millones de otras imágenes para encontrar las cinco que eran visualmente más similares. El servidor HP de alta potencia listo para usar completó la tarea en aproximadamente dos segundos. La Máquina simulada necesitó solo 50 milisegundos.

Manejar tales tareas decenas o cientos de veces más rápido, con el mismo gasto de energía, podría ser una ventaja crucial en un momento en que cada vez más problemas informáticos involucran grandes conjuntos de datos. Si tiene su genoma secuenciado, le toma horas a una computadora poderosa refinar los datos sin procesar en la secuencia final que se puede usar para examinar su ADN. Si la Máquina acortara ese proceso a minutos, la investigación genómica podría avanzar más rápido y la secuenciación podría ser más fácil de usar en la práctica médica. Sharad Singhal, quien lidera la investigación de análisis de datos de HP, espera mejoras particularmente sorprendentes para los problemas que involucran conjuntos de datos en forma de gráficos matemáticos, donde las entidades están unidas por una red de conexiones, no organizadas en filas y columnas. Los ejemplos incluyen las conexiones entre las personas en Facebook o entre las personas, los aviones y las maletas que transporta una aerolínea. Y es probable que surjan nuevas aplicaciones salvajes una vez que la Máquina esté funcionando de verdad. Las técnicas que descartaríamos como poco prácticas de repente se vuelven prácticas, dice Singhal. La gente pensará en formas de usar esta tecnología que no podemos pensar hoy.

Perfeccionar el memristor es crucial si HP quiere ofrecer ese sorprendente potencial. Ese trabajo se centra en un pequeño laboratorio, un piso debajo de las oficinas de los fundadores de HP, donde Stanley Williams hizo un gran avance hace una década.

Si todo sale según lo planeado, Hewlett Packard Enterprise tendrá cinco años cuando la primera versión de la Máquina pueda acudir en su rescate.

Williams se unió a HP en 1995 después de que David Packard decidiera que la empresa debería realizar una investigación más básica. Llegó a concentrarse en tratar de usar moléculas orgánicas para hacer reemplazos más pequeños y baratos para los transistores de silicio (ver Computing After Silicon, septiembre/octubre de 1999). Después de unos años, pudo fabricar dispositivos con el tipo correcto de comportamiento similar a un interruptor intercalando moléculas llamadas rotaxanos entre electrodos de platino. Pero su actuación fue enloquecedoramente errática. Pasaron años más de trabajo antes de que Williams se diera cuenta de que las moléculas en realidad eran irrelevantes y que se había topado con un descubrimiento importante. El efecto de conmutación provenía de una capa de titanio, utilizada como pegamento para pegar la capa de rotaxano a los electrodos. Más sorprendente aún, las versiones de los dispositivos construidos alrededor de ese material cumplieron una predicción hecha en 1971 de un tipo completamente nuevo de dispositivo electrónico básico. Cuando Leon Chua, profesor de la Universidad de California, Berkeley, predijo la existencia de este dispositivo, la ortodoxia de la ingeniería sostenía que todos los circuitos electrónicos debían construirse a partir de solo tres elementos básicos: condensadores, resistencias e inductores. Chua calculó que debería haber un cuarto; fue él quien lo llamó memristor, o resistencia con memoria. La propiedad esencial del dispositivo es que su resistencia eléctrica, una medida de cuánto inhibe el flujo de electrones, puede modificarse aplicando un voltaje. Esa resistencia, una especie de memoria del voltaje que experimentó el dispositivo en el pasado, puede usarse para codificar datos.

Packard y Hewlett en 1964.

La última manifestación de HP del componente es simple: solo una pila de películas delgadas de dióxido de titanio de unos pocos nanómetros de espesor, intercaladas entre dos electrodos. Algunas de las capas de la pila conducen la electricidad; otros son aislantes porque carecen de átomos de oxígeno, lo que le da al dispositivo una alta resistencia eléctrica en su conjunto. La aplicación de la cantidad correcta de voltaje empuja los átomos de oxígeno de una capa conductora a una aislante, lo que permite que la corriente pase más fácilmente. El científico investigador Jean Paul Strachan demuestra esto usando su mouse para hacer clic en un botón marcado con 1 en la pantalla de su computadora. Eso hace que una corriente estrecha de átomos de oxígeno fluya brevemente dentro de una capa de dióxido de titanio en un memristor en una oblea de silicio cercana. Acabamos de crear un puente por el que pueden viajar los electrones, dice Strachan. Los números en su pantalla indican que la resistencia eléctrica del dispositivo se ha reducido en un factor de mil. Cuando hace clic en un botón marcado con 0, los átomos de oxígeno se retiran y la resistencia del dispositivo vuelve a subir. La resistencia se puede cambiar así en solo picosegundos, unas mil veces más rápido que los elementos básicos de DRAM y usando una fracción de la energía. Y lo que es más importante, la resistencia permanece fija incluso después de que se apaga el voltaje.

Cuando Williams anunció el memristor en 2008, comenzó lo que ahora llama una montaña rusa, porque el hallazgo de la investigación básica progresó rápidamente para convertirse en un proyecto de desarrollo crucial para HP. A veces, la adrenalina puede ser un poco abrumadora, dice. Los memristores han sido la ocupación principal de su equipo desde 2008, y en 2010 HP anunció que había llegado a un acuerdo con el fabricante de chips de memoria de Corea del Sur SK Hynix para comercializar la tecnología. En ese momento, HP se centró en obtener memristores para reemplazar la memoria flash en las computadoras convencionales. Luego, en 2012, Fink aumentó la presión al colocar a los memristores en el corazón de su plan para la Máquina.

Negocio riesgoso

El uso de memristores, ya sea como reemplazo de la memoria flash o como base para la Máquina, requeriría empaquetarlos en chips de memoria que combinen una densa matriz de dispositivos con circuitos de control de silicio convencionales. Pero tales chips no existen en este momento. Y no está claro cuándo HP podrá hacerse con alguno. Depende de un fabricante de chips como SK Hynix desarrollar chips memristor confiables que se adapten a sus líneas de producción. Hasta ahora envía obleas de silicio HP con memristores que se pueden probar individualmente, no se usan en una computadora.

Fink y Williams dicen que los primeros prototipos de chips de memoria podrían llegar en algún momento del próximo año. (Declaraciones anteriores de Williams parecían que la tecnología llegaría al mercado en 2013, pero él y Fink dicen que estos comentarios fueron malinterpretados). Un portavoz de Hynix, Heeyoung Son, se negó a comentar si 2016 es factible. No hay una línea de tiempo específica, dijo. Tomará algún tiempo llegar a eso.

Arriba, un primer plano de memristores en una oblea de silicio. Abajo, un detalle en un prototipo de la Máquina.

edwin kan , profesor de la Universidad de Cornell que trabaja en tecnología de memoria, dice que el progreso en memristores y dispositivos similares pareció estancarse cuando las empresas intentaron integrarlos en chips densos y confiables. Parece prometedor, pero se ha visto prometedor durante demasiado tiempo, dice.

Dmitri Strukov, uno de los antiguos colaboradores de Williams en HP, dice que los memristores aún tienen que pasar una prueba clave. Strukov, profesor asistente en la Universidad de California, Santa Bárbara, y autor principal del artículo de 2008 que anuncia el memristor, dice que si bien las publicaciones técnicas publicadas por HP y SK Hynix han demostrado que los memristores individuales se pueden cambiar billones de veces sin fallar, aún no está claro que las matrices grandes funcionen de la misma manera. Eso no es trivial, dice.

Stanley Williams dice que el memristor ofrecerá una combinación inigualable de velocidad, densidad y eficiencia energética.

Rodeado de prototipos de memristores en su laboratorio, Williams dice alegremente que su confianza en la tecnología sigue siendo alta. Si hubiera pensado que se avecinaba algo mejor, me habría saltado a eso en un femtosegundo, dice. Williams tiene un cuadro en la pared que resume la competencia de un puñado de otras tecnologías de memoria que compañías como IBM y Samsung están posicionando como reemplazos de flash. Esas empresas y HP se encuentran en etapas similares: se informa sobre el progreso, aunque el futuro comercial de sus dispositivos no está claro. Pero Williams dice que ninguna de las otras tecnologías tiene una combinación tan buena de velocidad, densidad y eficiencia energética como los memristores. Aunque aún no se ha presentado la primera generación de chips memristor, su grupo ya está buscando formas para que las generaciones posteriores incluyan más y más datos. Esos incluyen apilar memristores en capas y almacenar más de un bit en cada memristor.

En el laboratorio de al lado, los investigadores están trabajando en conexiones ópticas de datos lo suficientemente compactas como para conectar los componentes dentro de una computadora. Pero este proyecto se encuentra en una etapa aún más temprana. Los ingenieros de HP pueden mostrar una oblea de silicio cubierta con pequeños láseres, cada uno de un cuarto del ancho de un cabello humano, y usarlos para impulsar la luz hacia fibras ópticas delgadas. Los láseres están destinados a ser empaquetados en pequeños chips y agregados a las placas de circuito de la Máquina para conectar su memoria y procesadores. Las computadoras existentes usan cables de metal para eso, porque la tecnología de conexión óptica convencional es demasiado voluminosa. Fink espera que este sea el último de los componentes de la Máquina en estar listo, alrededor del final de la década.

Cuando llegue ese momento, la primera versión completa de la Máquina podría alquilarse para que las empresas o universidades accedan de forma remota para el análisis de datos a gran escala, dice Fink. Poco después, los servidores de estilo Machine estarán disponibles para comprar. También se comenzará a trabajar para reducir la escala de la nueva computadora para su uso en otros tipos de dispositivos, como computadoras portátiles, teléfonos inteligentes e incluso decodificadores de televisión por cable, dice.

Si todo sale según lo planeado, Hewlett Packard Enterprise tendrá cinco años cuando la primera versión de la Máquina pueda acudir en su rescate. Pero es posible que el mercado no sea mucho más acogedor de lo que es para el negocio existente de HP en la actualidad.

Las nuevas tecnologías informáticas tienden a ser caras y difíciles de usar al principio. El interés en los servidores de HP está disminuyendo porque los servicios en la nube ofrecen a las empresas exactamente lo contrario: una alternativa más económica y sencilla a los servicios que alguna vez tuvieron que crear internamente. Incluso las empresas que compran sus propios servidores probablemente sigan viendo mejoras significativas en el rendimiento gracias a las constantes actualizaciones en tecnologías como redes y almacenamiento durante varios años, dice Hamburguesa Doug , investigador sénior de Microsoft. Una hoja limpia es genial porque puedes redefinir todo, pero tienes que redefinir todo, dice. Los proyectos disruptivos y exitosos en arquitecturas de sistemas muy complejos son bastante raros.

Fink argumenta que sus investigadores pueden crear herramientas que faciliten el proceso de migración al nuevo y extraño futuro de la informática. Y cree que las empresas estarán más abiertas a adoptar una nueva plataforma a medida que las actualizaciones incrementales de las computadoras convencionales comiencen a producir rendimientos decrecientes.

Paradójicamente, Fink también dice que la perspectiva de fallar en la entrega de la Máquina no le preocupa. HP puede recurrir a la venta de chips memristor e interconexiones fotónicas como formas de actualizar la arquitectura defectuosa de las computadoras actuales, dice, aunque HP no está en el negocio de la fabricación de componentes en la actualidad. Estamos ganando mucho haciendo esto, dice. No es todo o nada.

Las luchas de HP parecen sugerir todo lo contrario.

esconder