Januari 2014

Transistorer, hur de kan vara miljarder.

Din telefon är idag med största sannolikhet mer kraftfull än min speldator var år 2004. Detta tack vare enorma teknologiska framsteg i mikroelektronikindustrin, speciellt bland processortillverkare som Intel, AMD och ARM.

Nyckeln till att få en så snabb processor som möjligt är att ha så många transistorer i den som bara möjligt. Transistorer i olika kopplingar skapar “logiska portar” som klarar av mycket enkla påståenden som ” x och y”, “x eller y”, “varken x eller y” etc. Dessa påståenden i enorma kluster kan lösa enorma problem.

Säg till exempel att du överväger att gå till gymmet. Du kanske ser det som en enkel “x eller y” fråga; antingen går jag till gymmet eller så degar jag i soffan. Men det är mer som spelar in här: hur länge sedan du var på gymmet, om du har ont efter senast, om du sovit dåligt etc. Ju flera “logiska portar” en processor har, desto fler parametrar kan processorn väga in på samma gång och då ge ett komplett svar på frågan snabbare än om den skulle behöva väga några parametrar i taget.

Rent teknisk sett skulle man kunna göra processorer lika stora som fotbollsplan med enorm prestanda men det finns några anledningar till varför detta inte är att eftersträva.

För det första är råvarorna man använder väldigt dyra, processorer byggs av kemiskt ren kisel som kostar mer per gram än guld; storlek är alltså en prisfråga i en konkurrensutsatt industri där man konstant pressar priserna.

För det andra spelar storleken in på strömförbrukningen. Ju större transistorer desto mer ström krävs. Detta blir en nöt att knäcka när man försöker få in en riktigt kraftull processor i en telefon med begränsad strömtillförsel.

Sist men inte minst så är det otroligt otympligt att gå runt med en fotbollsplan i fickan.

Mer om detta längre ner. Alla vet inte vad en transistor är eller hur de funkar, så här kommer en snabb genomgång.

En transistor kan ses som en strömbrytare; den har två lägen: av och på ( 4 lägen finns men för enkelhetens skull utelämnar vi två ) . Precis som en traditionell strömbrytare finns ett reglage som gör att man kan reglera strömmen, skillnaden är att en transistor inte har några rörliga delar.

 

transistor-bild

“stor” transistor

Hur funkar då en transistor? Den har tre stycken kontakter som är skilda från varandra med en platt isolator i kisel som hindrar strömmen från att flöda igenom.

Transistore-schema

Bilden ovan visar en teoretisk överblick över en NPN-transistor. De kommer i olika varianter men teorin är densamma.

Emittern är negativt laddad och förser kretsen med elektroner, kollektorn är positivt laddad och redo att ta emot elektronerna. V+ är positiv volt och agerar den faktiska brytaren.  Den blå rektangeln är en isolator. I dagens elektronik är alla transistorer tillverkade av halvledaren Kisel. Isolatorn är då tillverkad av extremt ren Kisel medan emittern och kollektorn innehåller föroreningar som t.ex. svavel, vilket gör dem till helledare.

Emittern kopplas mot minuspolen i en godtycklig krets och kollektorn till pluspolen. Dessa får då ett överskott respektive ett underskott av elektroner vilket gör att det uppstår en skillnad i elektrisk potential mellan dem; om de inte skulle vara isolerade från varandra skulle strömmen flöda från kollektorn till emittern.

Vi har nu en en väldigt ensidig strömbrytare som är fast i läget “av”. Här kommer tricket.

Kisel i sin rena form är en otroligt bra halvledare vilket innebär att den kan leda ström, men även agera som en elektrisk isolator. Om vi nu kopplar isolatorn mot en positiv spänning kommer hela isolatorn bli positivt laddad. Kiselplattan attraherar elektroner som börjar forma en kedja längs med isolatorn från emittern till kollektorn.

Untitled2

När den kedjan når kollektorn får vi en sluten krets.

Tar vi bort den positiva volten finns det inget som attraherar elektronerna längre och kedjan (strömmen) bryts.

Nu till dagens mikroprocessorer.  För att visa hur stora transistorerna är används måttet nanometer. Det är alltså det Intel menar när de pratar om att deras kretsar kör på 32 nm eller 22 nm arkitekturer. Måttet pekar på avståndet mellan Source och Drain för varje individuell transistor. Satt i perspektiv så är dagens 4de generation I7:or byggda med 22nm transistorer, avståndet mellan emittern och kollektorn motsvarar då ~80 uppradade Kiselatomer .

Om en fotboll skulle representera en transistor i en modern processor skulle själva processorkärnan (inte hela processorn man håller i handen) motsvara arean av stadsdelen Sundbyberg, eller ~10km2.

Hoppats att detta ger lite klarhet i hur imponerande svårt det är att lyckats klämma in 1.4 miljarder transistorer på 2 cm2.

Hårdvara och mjukvara för bildning

Även om CES och konsumentelektronik handlar mycket om underhållning och hushållsapparater finns det även en del utbildningsrelaterade produkter på CES 2014.

Versal är en plattform ännu i beta för att låta lärare och andra skapa uppgifter som kan lösas interaktivt på webben. Genom ett urval av färdiga moduler (t.ex. formulär, frågor, blindkartor) behövs inga programmeringskunskaper och man kan kombinera delar som lär ut (t.ex. Youtube-videor) med delar där kunskaperna testas. Tjänsten bygger på en freemium-modell där man kan skapa innehåll till en viss mängd utan kostnad, sedan tillkommer kostnad för fler tester eller större mängd data.

Innehållet man skapar kan vara gratis eller kosta pengar. I det senare fallet delar skaparen och Versal på intäkterna.

Modular Robotics har två olika system för att lära ut teknik och robotar till personer från fyra år och uppåt. Cubelets är ett system av kuber där varje kub har en viss funktion, t.ex. sensorer eller motorer. Genom att kombinera dessa kuber på olika sätt kan hel mängd olika robotar skapas. T.ex. kan man skapa en robot som stannar när den känner av ett hinder. Det finns även en kub med Bluetooth-funktionalitet om man nu skulle vilja programmera den och styra från ett annat system. Än så länge går det bara att programmera i C men enklare språk ska vara på gång.

wpid-20140109_093837.jpg

Skaparna menar att man inte vill tvinga in användarna i ett särskilt system och därför finns t.ex. en adapter så att man kan lägga till Lego-klossar på kuberna. Startpaketet kostar 175 dollar.

Det andra systemet från Modular Robotics har inte släppts ännu. Det är också ett modulärt system men istället för kuber sätter man ihop delar med magnetiska stålkulor emellan. Detta system riktar sig till personer från åtta år och uppåt. Baspaketet kostar 149 dollar och ett mer avancerat paket 399 dollar.

Fånga ditt liv i form av data

Efter den i södra Sverige hittills snöfattiga vintern kanske saknaden blir så stor att man till slut faller till föga och köper den här maskinen som producerar snö. Låt vara att den är till för att användas till livsmedel men om man nu saknar den där känslan av snöslask innanför ytterdörren kanske den kan användas även där.

wpid-20140109_101945.jpg

I övrigt handlar mässan i år en hel del om sensorer. Ett av modeordet är wearables, i något fall handlar det bara om något som visar saker men ofta är det åtminstone ett par sensorer inblandade.

Lifeloggningtillämpningarna handlar ofta om att samla statistik på sin fysiska aktivitet (och då främst träning) men enheter som brittiska Autographer och svenska Narrative fångar användarnas vardag i bilder och låter användarna gå igenom sitt liv i efterhand. Där Autographer satsar på fler sensorer, väljer Narrative istället att ha enkel hårdvara med kamera och GPS-mottagare och istället lägga krutet på analys på sina servrar för att enklare kunna bläddra bland sina händelser. Autographer har ännu inga sådana funktioner för att automatiskt välja ut de bästa bilderna och smart klumpa ihop ögonblick men det är något som kan komma enligt dem själva.

Enheten Kiwi framstår som en något mer avancerad stegräknare. Den håller koll på rörelser men dessa rörelser innefattar även gester man gör med kroppen. Därmed kan man skapa makron som utförs när man gör en sådan gest. Med Kiwis app kan man lika IFTTT aktivera olika händelser baserat på dessa gester. Kiwi har öppet för tredjepartsutvecklare för nya tillämpningar baserade på dessa gestinitierade händelser.

När man lämnat hemmet kan det vara idé att lämna kvar några sensorer också. Canary är en pryl med inbyggd kamera, mikrofon, siren, termometer och hygrometer. Uppkopplad till molnet så håller den reda på normal och onormal aktivitet och kan notifiera dig via telefonen när något oväntat händer (som ovälkommet besök).

Canary

En hel del sensorer att koppla till telefonen finns också, som temperatursensorn att lägga i trosorna, sensorn för att kolla andedräkten, geigermätaren, nitratmätaren för mat.

I trosorna

Geigermätare

Även människans bästa vän kommer inte undan att registreras. Med ett halsband från Voyce till hunden som håller koll på bland annat hjärtpuls och temperatur kan man i tillhörande app få information anpassad till just din hund beroende på ras, ålder och vaccinationer.

Floden av TV-material direkt i din TV

Idag har jag gjort en (förhoppningsvis) uttömmande titt av TV-tillverkarnas montrar. Utöver Ultra HD (4K) och böjda skärmar kan man se att flera tillverkare fortsätter att knyta innehåll tätare till sig. Riktigt så långt som Sony som med sitt Entertainment Network nu kommer erbjuda videomaterial utöver spel och musik går inte riktigt de andra tillverkarna. Däremot är möjligheten att bläddra och söka aggregerat kring innehåll en viktig del oavsett om det är material på linjärkanaler eller videomaterial på nätet.

image
image
image

Fortfarande bygger varje tillverkare sin egen lösning vilket innebär att företag som TV4 som har videomaterial än så länge är tvungna att lägga ner mycket arbete på varje tillverkares plattform för att nå ut brett. En del tillverkare väljer att ha en helt egen upplevelseunder egna varumärken medan en del andra, som till exempel kinesiska tillverkare som Haier, Hisense och TCL i sina montrar visar streaming med Rokus teknik.

image

Det är inte bara hårdvarutillverkare som arbetar med Smart TV. Yahoo Smart TV innehåller guider till videomaterial, extramaterial ovanpå TV-program (på vissa Samsung-apparater) till exempel sportstatistik i underkant av skärmen.

Att söka i detta material tänker sig flera tillverkare ska ske genom röstigenkänning och att användare talar i sin fjärrkontroll eller telefon. Flera tillverkare använder sig av den inbyggda kameran för ansiktsigenkänning. Hos Panasonic används det för att avgöra vilken person som gillar ett program. Den informationen blir dock inlåst i Panasonics molntjänst så byter man en dag tillverkare av tv-apparat får man göra om det på nytt.

Det här med att styra tv:n genom att vifta med armarna hade man kanske hoppats på vara ett bortglömt kapitel men man kan fortfarande höra talas om det på fullt allvar. I Hisenses monter ser det ut såhär:

image

Sociala funktioner i TV:n handlar mycket om att integrera Twitter och visa tweets på en del av skärmen (Samsung i högerkant och Sony i underkant) samtidigt i programmet.

image

image

Och just det: i vad som ser ut som ett försök att bräcka konkurrenterna visar Toshiba en TV med 5K.

image