И вечный Мур…

Тренды
Москва, 08.09.2011
«Русский репортер» №35 (213)
Земная цивилизация держится на микропроцессорах. Они везде: в компьютерах, телефонах, станках, плеерах. С каждым годом чипы становятся все компактнее и производительнее, но всему есть предел, и совсем скоро продолжать уменьшать процессоры, сохраняя их работоспособность, будет невозможно. Ведущие производители уже сейчас вкладывают миллиарды долларов, чтобы найти пути преодоления грядущего великого электронного кризиса

«Объединение большего количества компонентов в интегральных схемах» — так называлась знаменитая статья Гордона Мура, одного из отцов-основателей корпорации Intel. Она вышла в 1965 году в журнале Electronics и давно бы уже была всеми забыта, если бы не один смелый прогноз, уместившийся в паре предложений. Мур предсказал, что количество элементов на кристаллах микросхем будет удваиваться каждые 24 месяца. Грубо говоря, каждые два года вся электроника наращивает свою производительность в два раза.

Оснований к таким прогнозам у Мура было, мягко говоря, немного: первая микросхема заработала в 1958 году, в 1965-м на ней было всего лишь 64 транзистора. Для сравнения: сейчас их количество на одном чипе может доходить до двух миллиардов. Остается лишь поражаться тому, что Гордон Мур сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли, по сути, от ее зарождения до заката.

Да, действительно, до заката. Технологии привычного кремниевого мира стоят на пороге страшного кризиса. До него остаются уже считанные годы: одни эксперты называют 2015-й, другие — 2020-й.

— Пока мы можем уверенно говорить о том, что закон Мура для кремниевой электроники будет работать до 2015 года, — говорит Николай Суетин, директор по внешним исследовательским проектам Intel в России и СНГ.

— Мы все же приближаемся к критическому рубежу — атомарному размеру микросхемы. При размере меньше атома схема работать не может. Это противоречит законам классической механики, — объясняет Майкл Вирт, директор по развитию бизнеса в России и СНГ корпорации IBM.

Есть и еще ряд проблем. Например, все время сокращается толщина изоляционного слоя в транзисторе и скоро выйдет на уровень одного нанометра. Дальнейшее уменьшение изоляционного слоя вызовет, в частности, проявление эффектов квантового туннелирования, которые не рассматриваются классической физикой и требуют для описания использования методов квантовой механики.

Сейчас ведущие производители электроники ищут средства для преодоления «кризиса Мура». Мы выделили самые перспективные пути.

01. Найти дорогу к свету

Название:

Нанофотоника

Идея:

Заменить электрический ток на свет

Дата:

Технология уже разработана. Ожидается, что к 2015 году появятся первые устройства на ее основе

Описание:

Обычная микросхема — это кремниевая подложка, а на ней много-много медных дорожек, по которым передается электрический сигнал. Чем меньше становятся чипы, тем сильнее нагревается схема, а это чревато нарушением ее работы.

Чтобы этого не происходило, вместо электричества попробовали использовать световые лучи. Новая технология уже получила красивое название «нанофотоника». Первые микроэлектронные устройства, в которых информацию вместо электронов переносят фотоны, были использованы еще на заре развития оптических систем связи, а приспособ­ления для коммутации между процессорами выпущены в конце прошлого года корпорациями IBM и Intel.

— Когда используется свет, то тепло не выделяется, потому что не возникает сопротивления, которое было раньше, когда электрон двигался по проводкам, — рассказывает Майкл Вирт из IBM. — Также эта технология решает проблему ускорения передачи информации.

Его коллега Пауль Сайдлер, координатор Центра нанотехнологий IBM Research в Цюрихе, поясняет мне:

— Сейчас объем информации такой большой, что его невозможно передать с помощью традиционных электрических кабелей. Поэтому используется оптоволокно. Так же будет передаваться информация внутри микросхемы. Вот над этим мы сейчас работаем. Но я подчеркиваю, речь идет о передаче данных, а не о самих вычислениях.

В IBM уже подсчитали, что нанофотоника позволит примерно в тысячу раз увеличить производительность систем по сравнению с сегодняшними.

02. Преобразиться в формат 3D

 rep_213_pics/rep_213_063-1.jpg

Название:

Вертикальная интеграция чипов — 3D

Идея:

Поставить транзисторы друг на друга, чтобы сигнал мог передаваться в трех измерениях

Дата:

Предположительно 2016–2018 годы

Описание:

Разработчики играют с транзисторами, как с конструктором, только наноразмеров. Вполне логично, что раскладывать «кубики» рядом друг с другом им в конце концов наскучило. Можно ведь ставить их друг на друга, то есть перевести схему в трехмерное пространство. Сразу возникает ассоциация с модой на 3D в кино, благо от Голливуда до Силиконовой долины часов шесть на автобусе.

Знаний в объеме средней школы достаточно, чтобы подсчитать: если в обычный двухмерный чип удалось засунуть один миллиард транзисторов, то в трехмерном их будет в миллион раз больше.

— При таком расположении появляется дополнительное направление взаимодействия, что позволит еще увеличить скорость обмена информацией между транзисторами, а значит, и производительность того же процессора, — объясняет мне Майкл Вирт. — Мы рассчитываем, что 3D-транзисторы выйдут на рынок уже через пять лет. Сейчас эта технология еще в стадии разработки.

03. Прошерстить таблицу Менделеева

 rep_213_pics/rep_213_063-2.jpg

Название:

Альтернативные материалы

Идея:

Использовать вместо кремния другие материалы

Дата:

2016–2017 годы

Описание:

Майкл Вирт листает слайды презентации, на экране появляется таблица Менделеева, рядом портрет ее создателя. Заголовок «1990-е» — несколько химических элементов закрашено в оранжевый цвет. Дмитрий Иванович хмурится.

— В 90-е годы мы изучали только медь и германий, проверяли, насколько выгодно использовать их для транзисторов, — объясняет Майкл Вирт.

Как я поняла, из кремния, верно служившего транзисторам в течение нескольких десятилетий, ученые выжали почти все возможности. Чтобы заряды максимально быстро двигались в транзисторе, используют технологию так называемого напряженного кремния. То есть его либо сильно растягивают, либо сжимают. Но чем меньше размеры, тем меньше возможность растянуть-сжать. Поэтому сейчас физики ищут материалы с более выгодными свойствами.

На следующем слайде под заголовком «2000-е» оранжевыми стали почти все ячейки таблицы химических элементов. Менделеев уже не так печален. Его радует возможность использовать в качестве альтернативы кремнию не только германий, но и множество других элементов. Например, страшно перспективное соединение мышьяка и галлия.

— Сейчас ведутся дорогостоящие исследования со многими материалами, — продолжает Вирт. — Берутся разные элементы, специалисты смотрят, как они между собой взаимодействуют на микросхеме, ищут максимально эффективные сочетания. Особое внимание обращает на себя новый углерод — графен. Кстати, за него русским ученым дали Нобелевскую премию…

Графен — это пленочка углерода в один атом толщиной. Он радикально отличается от всех существующих материалов по своим свойствам. Графен очень легкий, прочный и вообще странный. Даже при комнатной температуре электроны в нем передвигаются практически со скоростью света и с весьма низким сопротивлением. Микросхема из такого материала будет меньше нагреваться и быстрее работать по сравнению с кремниевой.

— Но просто так сделать из графена логическую схему нельзя, — разводит руками Николай Суетин. — Потому что он не является в чистом виде полупроводником. Он полуметалл, то есть у него нет запрещенной зоны.

Запрещенная зона, или энергетическая щель, — это понятие вполне реальное. У полупроводника есть несколько зон с разной энергией. Энергия запрещенной зоны выше энергии электронов и фотонов, эти частицы не могут ее преодолеть. Поэтому электроны не растекаются во всех возможных направлениях по микросхеме, а текут в определенном русле, между двумя такими энергетическими щелями.

Сейчас запрещенную зону для графена пытаются создать искусственно: если его нарезать на полосы шириной 10 нанометров, то такая зона появляется. К сожалению, ровную полосу такого размера сделать очень сложно. Но наука этим активно занимается.

04. Свернуться в нанотрубку

 rep_213_pics/rep_213_064.jpg

Название:

Углеродные нанотрубки

Идея:

Заменить ток и свет наноструктурами

Дата:

После 2020 года

Описание:

Возьмите свой компьютер, сверните его и положите в карман. Думаю, у вас это не получилось. Но такие нереальные сего­дня действия для поколения 2020-х будут уже само собой разумеющимися.

Быстродействия же нашего «персонального листочка» хватит, чтобы обрабатывать данные с Большого адронного коллайдера в режиме онлайн. Сейчас данные с БАК обсчитывают десятки научных институтов по всему миру и тысячи добровольцев.

Главная фишка: транзисторы сделаны из нанотрубок — углерода, свернутого в трубку толщиной в один атом. От этих трубок, как и от графена, ждут настоящих чудес.

Если в традиционных транзисторах заряд переносит ток, то здесь роль переносчика берет на себя сама нанотрубка. Это, во-первых, уменьшит размеры транзистора, а во-вторых, придаст ему новые свойства. В частности, он перестанет ломаться при деформации, то есть мы сможем сворачивать компьютер по своему усмотрению.

Перед моими глазами встают картины светлого углеродного нанобудущего. Но Николай Суетин спускает меня с небес на землю:

— До сих пор нет технологии, которая позволяла бы сделать все трубочки одинаковыми. Они отличаются по диаметру, они отличаются по хиральности — грубо говоря, по способу сворачивания. Если вы сделаете несколько тысяч нанотрубок, то среди них одинаковых будут единицы. Поэтому сделать два миллиона одинаковых нанотрубок, посадить их в нужное место, сделать для них контакты — это пока технически невыполнимая задача.

Детей в первом классе учат рисовать ровные и одинаковые палочки. А ученые пытаются сделать то же самое с трубочками. Но их попытки обходятся в миллиарды раз дороже.

В этом году открывается Центр нанотехнологий корпорации IBM им. Г. Биннига и Г. Рорера в Цюрихе — один из ключевых научных институтов, где будут создавать компьютерное будущее. Нас ведут по бетонным коридорам в святая святых — так называемые чистые комнаты, в которых будут выращивать наноматериалы, в том числе и для карбоновых нанотрубок. Центр еще не достроен, иначе вход в чистые комнаты нам был бы заказан. Двери как в солидном швейцарском банке, за ними комната над пропастью: вместо пола железная решетка, а сам пол ниже метров на десять.

— Это воздушная платформа, которая будет гасить все колебания почвы, — объясняют нам предназначение пространства под комнатой. — Чтобы проводить эксперименты, нам нужно полностью устранить все помехи: механические, электромагнитные и прочие. Для этого все компьютеры и датчики будут находиться за пределами этой комнаты. Во время эксперимента даже свет будет выключен.

Трудно представить себе, что даже в таких условиях создание идеальных нанотрубок останется непростой задачей. Но когда речь идет о таких маленьких объектах и о таких чувствительных технологиях, любая мелочь может нарушить производство.

05. Обуздать спин

 rep_213_pics/rep_213_065-1.jpg

Название:

Спинтроника

Идея:

Проводить вычисления не с помощью заряда электрона, а с помощью его спина

Дата:

Какие-то работающие устройства появятся не раньше 2020 года.

Описание:

— В обычном транзисторе электрический заряд с одного места переносится на другое, — на пальцах объясняет мне Николай Суетин. — Но можно управлять не только электроном, но и его спином. Спин — это еще одна характеристика электрона. Если заряд может быть «плюс» или «минус», то спин также имеет два положения — «вверх» и «вниз».

Использование спина сулит массу бонусов. В одной из лекций обнаруживаю формулировку: «Высокое быстродействие определяется в конечном счете спиновой прецессией, на частоту которой также нет ограничений». Что такое прецессия, я не совсем понимаю, но «нет ограничений» звучит вдохновляюще. Спинтроника будет потреблять меньше энергии, чем обычная электроника, а также обес­печивать память, не зависящую от питания.

— Но пока никто не знает, как сделать ток, состоящий только из спинов, — говорит Суетин. — И еще: чтобы создать логическую схему, необходимы не просто переключатели, а переключатели, одновременно умеющие усиливать сигнал. Если не будет усиления тока, то сигнал быстро затухнет. Но как заставить спиновый транзистор переключаться с усилением?

Сейчас спинтроника вызывает вал научных публикаций. Возможно, уже скоро удастся решить эти проблемы.

06. Поработить молекулу

 rep_213_pics/rep_213_065-2.jpg

Название:

Молетроника (молекулярная электроника)

Идея:

Использовать молекулу в качестве транзистора

Дата:

О создании прототипов заявляют уже сейчас, а реально эта штука заработает не раньше 2025–2030 годов

Описание:

После эры электроники нам обещают эру молетроники, то есть молекулярной электроники, где главным элементом будет молекула, выполняющая функции транзистора. По подсчетам ученых, молекулярный транзистор будет чуть ли не в 100 миллиардов раз мощнее кремниевого. Соответственно вырастут возможности будущих ПК.

Впервые идея молекулярного транзистора была высказана еще в 1959 году Ричардом Фейнманом. Она заключалась в следующем: если у обычного транзистора могут быть два состояния — открытое и запертое, то и некоторые молекулы могут иметь два состояния и переключаться из одного в другое.

Например, есть вещество с угрожающим названием спиробензопирен. Известно, что его молекулы изменяют состояние под дейст­вием ультрафиолета и возвращаются в исход­ное состояние с помощью обычного света.

Пару лет назад команда ученых из Южной Кореи и США продемонстрировала первый прототип молекулярного транзистора. Правда, его в лучшем случае можно назвать прапрадедушкой будущей технологии.

07. Прикинуться ДНК

 rep_213_pics/rep_213_066-1.jpg

Название:

ДНК-транзисторы, ДНК-компью­теры

Идея:

Заставить компьютер работать как гены

Дата:

Работающие модели начали появляться в нулевых, а расцвет технологии предполагается в 2030-е годы

Описание:

Мне до сих пор не дает покоя тот факт, что вся информация о моем организме записана в крохотной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты. Кто-то подсчитал, что в одном кубическом сантиметре ДНК можно записать больше данных, чем на триллионе СD.

Если удастся разгадать, как у природы получилось так плотно упаковать информацию, то мы получим устройства в несколько сот раз мощнее современных суперкомпьютеров. И при этом они будут настолько крошечными, что смогут поместиться даже внутри человеческих сосудов. Например, ДНК-чипы можно будет внедрять в кровоток, и они будут лечить болезни.

В США, Израиле и других странах уже существуют работающие модели ДНК-ком­пьютеров. Правда, назвать их компьютером в привычном нашем представлении язык не поворачивается. Судя по описаниям в прессе, они больше походят на густой бульон из молекул и ферментов, помещенных в пробирку. Если проводить аналогию с нашими ПК, то первые выполняют роль программного обеспечения, а вторые — железа. В молекуле ДНК кодируются данные, в результате химической реакции между ДНК и ферментами происходят вычисления, результаты которых считывают на выходе, то есть когда «расшифровывают» ДНК после химической реакции.

Нужно понимать, что логика генетического компьютера отличается от логики обычного. Какие-то задачи он решает в тысячи раз быстрее своего кремниевого собрата, а к каким-то даже не знает, как подступиться.

08. Соскочить к квантам

 rep_213_pics/rep_213_066-2.jpg

Название:

Квантовые транзисторы, квантовые компьютеры

Идея:

Заменить частицы на их кванты

Дата:

Вроде бы прототипы уже созданы, через какое-то время могут появиться квантовые компьютеры для решения узких задач, а массового распространения стоит ждать к 2030-м годам

Описание:

Когда размеры обычных транзисторов доходят до уровня атома, включается квантовый туннельный эффект: электроны ухитряются проскакивать мимо поставленной им преграды, так как по размерам она уже меньше электрона. Такая утечка электронов приводит к серьезным сбоям в работе всего устройства. Найти способ подавлять этот эффект физики не смогли, зато нашли способ, как его обойти: создать квантовый компьютер, работающий на атомарных величинах и по законам квантовой физики.

— В квантовой механике можно создать новое состояние частиц — суперпозиции, когда электрон одновременно сориентирован и вверх, и вниз, и 0, и 1, что невозможно в обычной механике. Благодаря чему квантовый компьютер сможет одновременно решать сложные задачи, как, например, разложение простых чисел на множители, что совершит революцию в криптографии, — объясняет на конференции по квантовой физике Михаил Лукин, профессор Гарварда.

Квантовый компьютер — гроза всех банковских счетов в мире и всех военных тайн. Если удастся создать полноценный квантовый компьютер, то он сможет за считанные секунды сломать современные средства защиты информации. Тот, кто его изобретет первым, неслыханно обогатится.

На самом деле квантовые компьютеры, сломав все привычные шифры, смогут также и создать шифры, вскрыть которые, не нарушив законов физики, будет невозможно. Помимо производства идеального шифра квантовые технологии можно будет использовать для создания элетросетей без потерь энергии или автоматических транспортных средств без водителей — они позволят настолько точно рассчитать координаты в пространстве и времени, что возможность аварии будет исключена.

— Состояние суперпозиции — это как в советском анекдоте, — продолжает тем временем профессор Лукин. — Американский журналист спрашивает у Хрущева: «Опишите одним словом, как работает советская экономика». Хрущев отвечает: «Советская экономика работает хорошо». Американский журналист, не удовлетворившись таким ответом, решает уточнить: «А могли бы вы описать, как работает советская экономика, двумя словами?» Хрущев, недолго думая, отвечает: «Советская экономика работает не хорошо».

Успехи в создании квантового компьютера пока еще сродни успехам советской экономики: непонятно, как сделать такое двойственное состояние суперпозиции устойчивым и как потом извлекать информацию из этих частиц.

Иллюстрации: Тимофей Яржомбек

У партнеров

    «Русский репортер»
    №35 (213) 8 сентября 2011
    Правящий класс
    Содержание:
    Реклама