После кремния: электроника будущего

Закон Мура вскоре прекратит действовать, а вместе с ним завершится целая эра в истории вычислительных машин. Расмотрим, чем это грозит индустрии, а также какими станут ПК ближайшего будущего.
Они повсюду: на улице, дома и в офисе. Они развлекают нас, помогают управлять сложной техникой и исследовать тайны Вселенной. На Земле их так много, что любой человек каждый день сталкивается с миллиардами этих устройств. Но они настолько маленькие, что мы их попросту не замечаем. Речь идет о транзисторе — базовом элементе современных кремниевых микросхем.

Первый транзистор, созданный в 1947 году, едва умещался на ладони. Сейчас размер такого полупроводникового устройства в сотни раз меньше, чем кровяная клетка. Все это время электронная промышленность развивалась по эмпирическому закону, сформулированному в 1965 году одним из основателей Intel Гордоном Муром. Он предположил, что количество транзисторов в полупроводниковых микросхемах будет удваиваться каждые два года. Мур оказался совершенно прав, и данный закон не утратил актуальности по сей день.

За это время сложность чипов возросла в миллион раз: если в первых микропроцессорах содержалось несколько тысяч транзисторов, то в чипах последнего поколения их
насчитывается уже несколько миллиардов. Стоимость устройств снижалась столь же стремительными темпами. Радиоприемник Regency TR-1 на четырех транзисторах, выпущенный в далеком 1954 году, стоил $50. За эту же сумму в наши дни можно приобрести процессор, содержащий сотни миллионов транзисторов.

Но вечно двигаться вперед такими темпами электронная промышленность не сможет. Уже сегодня толщина отдельных элементов транзистора сравнима с толщиной нескольких атомов. На этом уровне начинают действовать иные физические законы, поэтому в ближайшие годы разработчики кремниевых чипов на базе транзисторов столкнутся с серьезными проблемами.

Начало конца: предел уже близок

«Закон Мура перестает действовать, через 10-15 лет он себя полностью изживет», — полагает Генри Самуэли, технический директор телекоммуникационной корпорации Broadcom. «После того как компании приступят к выпуску микросхем по 20-нанометровому технологическому процессу, начнется существенное удорожание производства микросхем, а при переходе на пятинанометровую технологию индустрию ждут еще большие трудности. В результате рост производительности и числа транзисторов в чипах прекратится».

Сейчас на элементы в кремниевом чипе еще действуют законы классической механики, но через несколько лет эти полупроводниковые устройства уменьшатся настолько, что происходящие в них процессы станут подчиняться законам квантовой механики. При этом начнет наблюдаться так называемый туннельный эффект: электроны будут неконтролируемо преодолевать слой затвора (изолятора, регулирующего поток электронов в транзисторе). На практике это означает возникновение вычислительных ошибок, превращения «0» в «1». Работа процессора станет невозможной.

Если рост быстродействия полупроводниковых микросхем прекратится, то покупатели будут менять технику только в случае ее поломки, а не морального устаревания. Производство новых моделей компьютеров, смартфонов, планшетов и других гаджетов в таких количествах, как сейчас, полностью утратит смысл. Это приведет к масштабному экономическому кризису, который затронет многие смежные отрасли. Вся сложившаяся за последние десятилетия культура непрерывной модернизации вычислительной техники быстро сойдет на нет.

Альтернативы кремниевым чипам

Рано или поздно полупроводниковые микросхемы, изготавливаемые из кремния, изживут себя. Им на смену придут более совершенные аналоги. Скорее всего, это произойдет не по технологическим, а по экономическим причинам: транзисторы станут настолько маленькими, что вложения в новую технологию производства будут окупаться примерно за три-четыре года. Это притормозит развитие полупроводниковой промышленности и даст шанс новым перспективным разработкам, таким как биологические и оптические компьютеры.

Если кремниевые чипы оперируют отрицательно заряженными элементарными частицами вещества (электронами), то оптические процессоры — частицами света (фотонами). Это наделяет их множеством уникальных свойств — например, способностью обрабатывать информацию в момент ее передачи, низким потреблением энергии, возможностью передачи данных на большие расстояния и высокой производительностью.

Созданный инженерами IBM прототип оптического чипа Holey Optochip способен обрабатывать ежесекундно более триллиона бит данных (это около 500 фильмов, записанных в формате HD), потребляя при этом менее чем 5 Вт мощности. В процессор IBM встроен массив микролазеров, которые излучают и модулируют свет. Управляя исходящим от них светом, можно обрабатывать информацию, поступающую из блока преобразования электрического сигнала в оптический, а также передавать ее по оптоволоконным каналам в другие процессоры. Массив фотодиодов, также входящий в состав устройства, осуществляет обратное преобразование оптического сигнала в электрический. Поэтому, строго говоря, разработку IBM правильно называть не оптическим, а электронно-оптическим чипом.

Чтобы создать полностью оптический процессор, необходимо разработать подходящий тип памяти (например, голографический) и методы работы с данными, хранящимися в виде образов. Исследования в этом направлении идут, однако до создания коммерческих продуктов еще далеко. Поэтому у оптических устройств множество альтернатив, одна из которых — квантовые компьютеры.

Компьютеры будущего уже созданы

Какими будут ПК будущего? Поисковый гигант Google, похоже, знает ответ на этот вопрос. 16 мая 2013 года данная корпорация объявила об открытии лаборатории по разработке искусственного интеллекта на квантовых компьютерах. Для этих целей Google заказала у канадской компании D-Wave квантовый компьютер D-Wave Two, оперирующий 512 кубитами, стоимость которого превышает сумму в 330 млн рублей.

В отличие от традиционных компьютеров, действие которых основано на законах классической механики, устройство D-Wave Two работает по законам квантовой механики, поскольку имеет дело с мельчайшими частицами вещества — атомами. Последние выполняют в нем функции ячеек памяти.

Наименьшим элементом для хранения информации в фотонном компьютере является квантовый бит, также известный как кубит. Обычный бит принимает только одно из двух значений (0 или 1), в то время как кубит может находиться в двух состояниях одновременно (состояние суперпозиции в квантовой физике), причем в каждом из них — с определенной долей вероятности.

Как работает квантовый компьютер

Понять принцип работы фотонного компьютера поможет один простой пример. Если вы взламываете пароль методом полного перебора на обычном ПК, то вам придется медленно продвигаться к цели шаг за шагом, проверяя в один момент времени единственную из возможных комбинаций букв и цифр, пока, наконец, вы не проверите их все. Если в пароле девять символов, и у каждого из них 36 возможных значений, то на решение такой задачи уйдут долгие годы. Квантовый компьютер действует иначе: он переберет все возможные решения за одну попытку (при условии работы с достаточным количеством кубитов) и выдаст ответ, который с высокой степенью вероятности окажется правильным. Поэтому, когда мощные квантовые компьютеры подешевеют настолько, что станут повсеместно доступны обычным пользователям, многие математические алгоритмы шифрования совершенно утратят свою актуальность.

Кубиты могут быть связаны друг с другом, что позволяет построить фотонное устройство, оперирующее одновременно с несколькими кубитами. Причем добавление новых кубитов приводит к экспоненциальному росту производительности: если процессор с 20 транзисторами в два раза мощнее процессора с десятью транзисторами, то квантовый компьютер с 20 кубитами в 1024 раза мощнее компьютера с десятью кубитами.

Пока что фотонные компьютеры напоминают ЭВМ шестидесятых годов: они занимают сопоставимое по размерам с комнатой пространство и стоят огромные суммы. Существуют также другие проблемы: устройства данного типа пока плохо справляются с решением задач, требующих выполнения множества последовательных действий. Среди прочего могут возникнуть сложности с переносом на них некоторых необходимых алгоритмов. Поэтому еще долгое время кремниевые и квантовые компьютеры будут существовать параллельно.

Транзисторы не сдаются

Квантовые компьютеры будут использоваться в тех областях человеческой деятельности, где существует потребность в высокой вычислительной мощности, — науке, прогнозировании различных явлений и моделировании. Постепенно они будут эволюционировать: уменьшаться, становиться мощнее и дешевле. А затем будет создан персональный квантовый компьютер.

Полупроводниковые микросхемы также будут развиваться и совершенствоваться. У разработчиков еще остались решения, которые помогут уменьшить транзистор и повысить скорость его работы, в том числе альтернативные материалы, такие как, например, углеродные нанотрубки. Недавно группе ученых из Стэндфордского университета удалось изготовить из них простейший микрочип, объединив в единую цепь 178 транзисторов. Однако для выпуска более сложных элементов в промышленных масштабах необходимо разработать совершенно иной, чем в лабораторных условиях, способ производства. На это могут уйти годы.

INTEL: мнение лидера о будущем полупроводниковой индустрии.

Действительно ли закон Мура перестает действовать, или это не так — и почему?

Давайте сначала определимся с терминологией. Начнем с того, что Гордон Мур один из основателей корпорации Intel, сформулировал не закон (в физическом смысле), а правило. Звучало оно так: «По мере прогресса в микроэлектронике можно будет помещать все больше логических элементов в тело одной микросхемы». Позже он добавил — «по крайней мере, в течение десяти лет». Сейчас закон Мура подтверждается тем, что компания Intel каждые два года совершенствует техпроцесс и уменьшает линейные размеры логических элементов микропроцессоров: в 2003 году они составляли 90 нанометров, в 2005-м —65 нм, 2007-м — 45 нм, 2009-м — 32 нм, 2011-м — 22 нм. Это делается для того, чтобы повысить их производительность и понизить энергопотребление. С 1965 года, когда был сформулирован закон, прошло уже 48 лет, но тенденция, заявленная Муром, является основой наших производственных планов.

Конец закону Мура предрекали давно. На в самом деле, в этих пророчествах всегда была железная логика: ведь нельзя же до бесконечности уменьшать линейные размеры элементов (уже сегодня они сравнимы с размерами нескольких атомов). Для того чтобы перенести структуру с маски («чертежа» микросхемы) на пластину с будущими процессорами, ее нужно экспонировать светом. Но при столь малых размерах элементов процесс экспонирования ограничивается дифракцией и интерференцией видимого света, и установка выходит за пределы разрешающей способности. К тому же работоспособность логических элементов тормозится возникающими квантовыми эффектами (баллистический транспорт, туннелирование частиц) и физическими свойствами материалов (например диэлектрической проницаемостью). Однако до сих пор Intel удавалось решать все возникающие проблемы. Во-первых, экспонирование происходит не в один, а в несколько этапов, и для них используются разные маски. Во-вторых, благодаря заботам наших специалистов, фотонные эффекты давно работают на пользу процессорам (как именно — это мы пока не раскрываем). В-третьих, взамен устаревших используются инновационные материалы.

Наши разработчики в области производственных технологий сегодня видят процесс на пять-шесть лет вперед, и в течение этого периода закон Мура будет действовать.

Приведет ли переход на 20-нанометровый технологический процесс к удорожанию чипов?

По сути — да, разумеется, более «тонкий» процесс всегда более затратный. Однако, если сравнивать новые поколения процессоров Intel в тех же позициях с их прежними аналогами, то цена остается такой же. В периоды «технологического перелома» нам (да и всей промышленности) приходится увеличивать площадь пластин, которые потом разрезаются на отдельные чипы: так можно умножить их количество, создаваемое за один проход и сдержать удорожание микросхем. Поэтому сегодня специалисты Intel работают над переходом к использованию в производстве 450-миллиметровых пластин.

Ожидается ли появление в обозримом будущем принципиально новых компьютеров (например квантовых)?

Пока альтернатив традиционной кремниевой электронике мы не видим. Во всяком случае, таких, которые можно готовить к индустриальному внедрению. Все они по большей части являются концептуальными, даже, если угодно, гипотетическими, и очень далеки от практических возможностей.

Какими, на ваш взгляд, будут компьютеры через 10 лет?

Более всего мы уверены в том, что они будут. Человечество получило их в свое распоряжение довольно давно, но в будущем они станут заниматься совсем не тем, ради чего создавались. Уже сегодня с помощью ПК мы связываемся друг с другом по электронной почте, в социальных сетях, посредством интернет-телефонии. Мы создали цифровую вселенную, и доступ к ней позволяет возвысить человека над его социальным происхождением и регионом проживания. Мы уверены, что от этого цивилизация уже не откажется. В равной мере мы убеждены, что Интернет станет глобальной средой взаимодействия вычислительных устройств. Благодаря ему по поручению своих владельцев одни компьютеры начнут управлять другими, от холодильников и кофеварок до видеокамер на уличных перекрестках и искусственных спутников Земли. Вычислениями займутся устройства, которые раньше не были для этого предназначены — например детские игрушки, женские украшения, даже мебель и разнообразная одежда.