Конструкторы прилагают невероятные усилия, чтобы МИКРОСХЕМЫ стали еще меньше, быстрее и дешевле.

В 1975 г. Гордон Мур (Gordon Moore), пионер в области электроники, сформулировал свое знаменитое предположение, что сложность МИКРОСХЕМ будет удваиваться каждые два года. Технологический прогресс позволит непрерывно уменьшать размеры транзисторов в МИКРОСХЕМАХ, так что для обработки информации электрическим сигналам нужно будет проходить все меньшие расстояния. Для электронной промышленности и потребителей это утверждение, получившее название закона Мура, означало, что компьютеризованные устройства будут неуклонно становиться все меньше, быстрее и дешевле. Благодаря постоянному внедрению инноваций в конструкции и технологии производства полупроводниковых приборов МИКРОСХЕМЫ удивительно точно следовали прогнозу Мура почти 35 лет.

Однако инженеры понимали, что рано или поздно эта тенденция прекратится. Толщина транзисторов уменьшится до значения всего в десятки атомов, и тут фундаментальные законы физики положат процессу предел. Но, вероятно, еще раньше возникнут две практические проблемы. Обеспечение высокого процента выхода годных микросхем при столь близком расположении транзисторов таких размеров может стать неприемлемо дорогим, а интенсивность тепла, выделяемого густой «чащей» транзисторов в ходе работы, может достигнуть уровня, когда сами элементы «сварятся».

Несколько лет назад эти проблемы действительно встали перед конструкторами. И именно тот факт, что обеспечить достаточно эффективное охлаждение МИКРОСХЕМЫ, в которой размещено необходимое число транзисторов, весьма непросто, и стал основной причиной оснащения рядовых персональных компьютеров активно рекламируемыми двухъядерными процессорами, т.е. двумя расположенными рядом маленькими процессорами, запрограммированными на параллельную обработку информации.

Похоже, что закон Мура вскоре перестанет действовать. Как в дальнейшем будет расти мощность микросхем? Есть две возможности: переход к другим архитектурам и разработка наноматериалов, которые можно будет собирать атом за атомом. Другой путь - внедрение новых способов обработки информации, включая квантовый и биологический.

Рассмотрим ряд новшеств, многие из которых уже находятся на стадии прототипов и в ближайшие два десятилетия смогут и дальше двигать компьютерные устройства по пути «меньше, быстрее, дешевле».

Размеры: перекрестки

Сегодня самые маленькие транзисторы массового производства имеют ширину всего 32 нм (10^-9 метра) - примерно в 96 атомов кремния. В отрасли понимают, что изготовление элементов размерами меньше 22 нм с использованием литографической техники, которая совершенствовалась десятки лет, будет исключительно трудным.

Один из вариантов, в котором используются конструктивные элементы примерно тех же размеров, что в сегодняшних МИКРОСХЕМАХ, но при этом обеспечиваются более высокие возможности, носит название кроссбар-системы. В этой конструкции транзисторы располагаются не в одной плоскости (подобно автомобилям на перегруженной кремниевой автостраде), а используется система параллельных нанопроводников, лежащих в одной плоскости, которые пересекают проводники аналогичной системы, расположенные в другой плоскости (как две взаимно перпендикулярные автострады разных уровней). Между этими плоскостями располагается буферный слой толщиной в одну молекулу. Проводники образуют множество пересечений, называемых мемристорами, которые могут играть роль переключателей, так же как транзисторы. Однако мемристоры могут и хранить информацию. Сочетание обеих возможностей позволяет решать ряд вычислительных задач. На практике один мемристор может выполнять работу 10-15 транзисторов.

Компания Hewlett-Packard Labs изготавливает кроссбар-системы с титановыми и платиновыми проводниками шириной 30 нм, используя материалы и методы, подобные уже оптимизированным для полупроводниковой промышленности. Исследователи компании полагают, что ширину проводников можно будет уменьшить до 8 нм. Некоторые исследовательские группы изготавливают также кроссбар-системы из кремния, титана и сульфида серебра.

Мемристор компании Hewlett-Packard - это новый тип схемного элемента, формируемый на месте каждого приподнятого пересечения перекрывающихся нанопроводников.

Тепло: холодильники или ветер

Когда на кристалле кремния размещается до миллиарда транзисторов, задача отвода тепла, выделяющегося при их переключениях, становится трудноразрешимой. В персональных компьютерах есть место для вентилятора, но он способен отводить не больше 100 Вт на кристалл. Поэтому конструкторы рассматривают несколько новых возможностей. Так, в ноутбуке MacBook Air роль теплоотвода (радиатора) играет тонкий корпус из алюминия, обладающего высокой теплопроводностью. В персональном компьютере Apple Power Mac G5 охлаждение обеспечивает жидкость, протекающая через микроканалы в нижней части кристалла микропроцессора.

Однако сочетание жидкости и электроники может быть рискованным, а в малогабаритных портативных устройствах вроде смартфонов ни для каналов, ни для вентиляторов места нет. Исследовательская группа компании Intel встроила в корпус МИКРОСХЕМЫ тонкопленочную сверхрешетку из теллурида висмута. Этот термоэлектрический материал преобразует градиент температуры в электроэнергию, охлаждая, таким образом, кристалл микросхемы.

Охлаждающая «заплатка» из теллурида висмута отводит тепло от расположенной над ней гораздо большей микросхемы к тонкому рассеивающему слою. «Заплатка» и рассеивающий слой занимают меньше места, чем существующие сегодня радиаторы, и потребляют меньше энергии.

Компания Ventiva, использующая результаты исследований Университета Пердью, разрабатывает миниатюрный твердотельный «вентилятор» без движущихся частей, который создает поток воздуха с помощью эффекта электрического ветра - принципа, который используется в бесшумных бытовых очистителях воздуха. Слегка вогнутая решетка содержит проводники под напряжением, которые создают микроплазму.

Ионы этой газообразной смеси увлекают молекулы воздуха от проводников к соседней пластине, продуцируя «ветер». Такой «вентилятор» дает более сильный поток воздуха, чем обычное механическое устройство, но при гораздо меньших размерах. Другие разработчики конструируют вентиляторы на основе машины Стирлинга, пока еще несколько громоздкие, но зато создающие ветер, не потребляя электроэнергии, за счет разности температур между горячим и холодным участками кристалла.

Архитектура - несколько ядер

Транзисторы меньших размеров могут включаться и выключаться, представляя соответственно ноль и единицу, за меньшее время, что повышает быстродействие МИКРОСХЕМЫ. Однако когда микросхема достигает температурного потолка, тактовая частота - число команд, которые способна обрабатывать микросхема за одну секунду - выходит на предел порядка 3-4 ГГц.

Стремление еще повысить характеристики в пределах допустимого тепловыделения и достижимой тактовой частоты побудило конструкторов разместить на одном кристалле два процессора - или ядра. Каждое ядро работает не быстрее прежних процессоров, но поскольку два ядра функционируют параллельно, они могут обрабатывать за то же время больший объем данных, потребляя меньше электроэнергии и выделяя меньше тепла. Процессоры новейших персональных компьютеров, например Intel i7 и AMD Phenom X4, имеют даже по четыре ядра.

Самые мощные в мире суперкомпьютеры содержат тысячи ядер, но в потребительских компьютерах для наиболее эффективного использования даже небольшого числа ядер требуются новые методы программирования, обеспечивающие распределение и обработку данных между процессорами и координирование задач. Основы параллельного программирования были разработаны для суперкомпьютеров еще в 1980–1990-х гг., теперь необходимо создать языки и инструментарий, которые разработчики программ могли бы применить для потребительских приложений. В частности компания Microsoft Research создала язык программирования F#.

Язык Erlang, созданный компанией Ericsson еще раньше, побудил разработчиков к созданию новых языков, включая Clojure и Scala. Созданием языков для параллельного программирования многоядерных МИКРОСХЕМ занимаются и научные учреждения, в частности Иллинойский университет.

Если эти подходы удастся усовершенствовать, то настольные и портативные устройства смогут содержать десятки и даже больше параллельных процессоров, каждый из которых будет вмещать меньше транзисторов, чем сегодняшние микросхемы, но как единая группа работать быстрее.

Хитрые материалы - нанотрубки и самосборка

Ученые уже лет десять преподносят нанотехнологии как способ решения всех задач в медицине, энергетике и, разумеется, в интегральных схемах. Некоторые энтузиасты утверждают даже, что полупроводниковая промышленность, которая производит МИКРОСХЕМЫ, разрабатывая все меньшие транзисторы, фактически создала нанотехнологическую дисциплину.

Однако есть надежда на большее - на то, что нанотехнологии позволят инженерам конструировать молекулы по заданным техническим условиям. Например, транзисторы, собранные из углеродных нанотрубок, могли бы иметь гораздо меньшие размеры. Действительно, группа инженеров из IBM изготовила традиционную КМОП-микросхему (Комплементарная логика на транзисторах Металл-Оксид-Полупроводник), проводящей подложкой в которой служит не кремний, а углеродная нанотрубка. Йорг Аппензеллер (Joerg Appenzeller) из этой группы, работающий сегодня в Университете Пердью, разрабатывает новые транзисторы, которые меньше КМОП-транзисторов и позволяют лучше использовать миниатюрную основу из нанотрубки.

По такому принципу выполнена схема кольцевого генератора, построенная на единственной углеродной нанотрубке, соединяющей между собой элементы схемы.

Выстраивание молекул или даже атомов может быть сложным делом, особенно в промышленных масштабах производства МИКРОСХЕМ. Одним из решений может стать самосборка под воздействием тепла, света или центробежных сил, заставляющих молекулы самостоятельно выстраиваться в предсказуемую структуру из смеси.

Корпорация IBM продемонстрировала, как можно изготавливать микросхемы памяти, используя полимеры, соединенные химическими связями. При заливке полимера на поверхность вращающейся кремниевой шайбы его молекулы вытягиваются и образуют сотовую структуру с порами шириной всего 20 нм. После этого полученную структуру можно вытравить в кремний, получив микросхему памяти такого же масштаба.

Более быстрые транзисторы - сверхтонкий графен

Цель постоянного уменьшения размеров транзисторов - сократить расстояния, которые должны проходить электрические сигналы внутри МИКРОСХЕМЫ, что позволяет повысить скорость обработки информации.

Тем не менее, есть один наноматериал - графен, который может ускорить процесс благодаря своей особой структуре.

В большинстве логических МИКРОСХЕМ, предназначенных для обработки информации, используются полевые транзисторы КМОП-структуры. Представьте себе транзистор в виде узкого прямоугольного слоеного пирога со слоем алюминия или, в последнее время, поликристаллического кремния сверху, изолирующим слоем оксида в середине и полупроводящим слоем кремния внизу. Графен, недавно выделенная форма молекул углерода, представляет собой плоский лист из множества повторяющихся шестиугольников (вроде мелкой проволочной сетки с шестиугольными ячейками) толщиной всего в один атомный слой. Стопка слоев графена представляет собой природный графит, знакомый нам по грифелям карандашей. В чистой кристаллической форме графен проводит электроны быстрее, чем любой другой материал при комнатной температуре - гораздо быстрее, чем полевые транзисторы. При этом потери энергии носителями заряда в результате рассеивания или столкновения с атомами решетки оказываются очень малыми, а значит, выделяется мало тепла. Графен как материал был обнаружен только в 2004 г., поэтому работа с ним находится еще в самой начальной стадии, но ученые уверены, что сумеют изготавливать графеновые транзисторы шириной всего в 10 нм и толщиной в один атом. Возможно, что в одном крошечном листе графена можно будет формировать множество схем.

Графеновый транзистор, изготовленный в Манчестерском университете (Англия) имеет толщину всего в один атом. Квантовая точка позволяет проходить от истока к стоку, задавая единицу или ноль, всего одному электрону.

Оптические вычисления со скоростью света

Аналоги МИКРОСХЕМ, коренным образом отличающиеся от существующих, пока находятся еще на столь ранней стадии разработки, что их промышленное производство может начаться только лет через десять. Однако закон Мура, вероятно, к тому времени еще будет в силе, поэтому работа над совершенно иными вычислительными схемами идет полным ходом.

В оптических вычислительных схемах информацию переносят не электроны, а фотоны, и делают они это гораздо быстрее - со скоростью света. Однако управлять светом гораздо труднее. Положительные результаты работы над созданием оптических переключателей для оптоволоконных кабелей телекоммуникационных линий оказались полезны и для оптических вычислений. По иронии судьбы, один из наиболее значительных успехов в этой области достигнут в деле обеспечения оптических соединений между традиционными процессами многоядерных МИКРОСХЕМ.

Между ядрами, обрабатывающими информацию параллельно, необходимо переносить большие объемы данных, и проводные электрические соединения между процессорами могут оказаться узким местом. Фотонные межсоединения позволили улучшить положение. Исследователи из компании Hewlett-Packard Labs рассматривают конструкцию, которая позволит передавать на два порядка больше информации.

Другие группы разрабатывают оптические межсоединения для замены более медленных медных проводов, соединяющих сегодня процессорные МИКРОСХЕМЫ с другими элементами компьютера - микросхемами памяти и дисководами. Инженеры из компании Intel и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре изготовили оптические «трубопроводы данных» из фосфата индия и кремния, используя обычные технологические процессы полупроводниковой промышленности. Однако для создания полностью оптических вычислительных МИКРОСХЕМ понадобятся фундаментальные прорывы.

Оптическая микросхема может работать быстро, если в ней есть внутренний управляемый источник света. Электроны и дырки в слоях фосфата индия рекомбинируют в центре, генерируя свет, который распространяется по кремниевому волноводу и через стеклянный слой.

Молекулярные вычисления: органическая логика

При молекулярных вычислениях функции транзисторов выполняют молекулы. В случае биологических молекул, например ДНК, такие вычисления называют биологическими. Инженеры могут называть вычисления с помощью небиологических молекул - молекулярной логикой или молектроникой.

Классический транзистор имеет три вывода: исток, затвор и сток (представьте его структуру в виде буквы Y). Подача того или иного напряжения на затвор отпирает или запирает поток электронов от истока к стоку, устанавливая соответственно единицу или ноль.

Молекулы с разветвленной структурой теоретически могли бы подобным же образом управлять сигналом. Ученые из Йельского университета и Университета Райса десять лет назад сумели построить молекулярные ключи, используя молекулы бензола в качестве строительных блоков.

Молекулы могут быть очень малыми, поэтому схемы на их основе могут быть гораздо меньше кремниевых. Однако построить из молекул сложные схемы очень трудно. Ученые надеются, что одним из решений может стать самосборка. В октябре 2009 г. группа из Пенсильванского университета сформировала схемы на основе металло-полупроводниковых сверхрешеток из цинка и кристаллического сульфида кадмия, используя только химические реакции, направляющие самосборку.

Квантовые вычисления - суперпозиция единицы и нуля

Самые малые размеры могут иметь схемные элементы, построенные из отдельных атомов, электронов и даже фотонов. При таких размерах взаимодействия между элементами подчиняются законам квантовой механики, описывающей поведение атомов. Квантовые компьютеры могут быть невероятно компактными и быстродействующими, но реальное изготовление их и управление возникающими в них квантовыми эффектами - задачи устрашающей сложности.

Атомы и электроны могут существовать в нескольких состояниях одновременно и формировать квантовый бит, или кубит. Сегодня исследуется несколько подходов к управлению кубитами. Один из них, называемый спинтронным, основан на использовании электронов, собственный магнитный момент которых (спин) может иметь одно из двух направлений.

Представьте себе шарик, вращающийся в одном или другом направлении (представляя соответственно единицу или ноль). Однако оба состояния могут сосуществовать в электроне одновременно, образуя уникальное квантовое состояние, называемое суперпозицией единицы и нуля. Ряд электронов в состояниях суперпозиции позволяет хранить гораздо больше информации, чем цепочка из кремниевых транзисторов, способных находиться только в каком-либо одном из битовых состояний, причем с увеличением числа элементов цепочки это различие в емкости растет по экспоненциальному закону. Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создали ряд различных логических ключей, «подталкивая» электроны в полостях, вытравленных в алмазе.

Другой подход, исследуемый в Мэрилендском университете и Национальном институте стандартов и технологий, основан на использовании цепочки ионов, подвешенных между заряженными пластинами, и обращении магнитной ориентации каждого иона (его кубита) с помощью лазерных импульсов. Другой вариант состоит в регистрации разных видов фотонов, эмитируемых каждым ионом в зависимости от его ориентации.

Кроме обладания суперпозицией, квантовые элементы могут «спутываться». Информационные состояния способны связываться через большое число кубитов, обеспечивая высокоэффективные пути обработки информации и передачи ее из одного места в другое.

Левитирующая в вакуумной камере цепочка ионов кальция может выполнять квантовые вычисления.

Биологические вычисления - живые МИКРОСХЕМЫ

При биологических вычислениях функции транзисторов выполняют структуры, обнаруживаемые обычно в живых организмах. Очень интересны в этом отношении молекулы ДНК и РНК, которые действительно хранят «программы», управляющие жизнью клеток. Соблазняет мысль, что микросхема размером с ноготь может содержать миллиарды транзисторов, процессор того же размера может содержать триллионы цепей ДНК. Цепи должны одновременно выполнять различные части процесса решения вычислительной задачи и соединяться для представления решения. Биологические микросхемы не только могут содержать на порядки больше элементов, но и обеспечивают широкий параллелизм обработки.

Первые биологические схемы обрабатывают информацию, создавая и разрывая связи между цепями. Ученые сегодня разрабатывают «генетические компьютерные программы», которые должны жить и реплицироваться внутри клетки.

Вычисления могут выполняться, если молекула ДНК поставляет данные «программным» молекулам ДНК, которые могут обрабатывать ферменты Fokl.

Способ программирования совокупностей биологических элементов, чтобы заставить их вести себя заданным образом, представляет собой самую сложную задачу. Подобные компьютеры могут в итоге найти себе место не на Вашем рабочем столе, а в Вашей кровеносной системе. Специалисты из Института Вейцмана в Реховоте (Израиль) уже построили простой процессор из ДНК и сегодня пытаются заставить его компоненты работать в живой клетке и обмениваться информацией с окружающей ее средой.