Мы листаем, прокручиваем, нажимаем на экраны и кнопки гаджетов и не задумываемся, что происходит там, под пластиковыми панелями корпусов. В микросхемах и процессорах, где трудятся миллионы героев нашего времени – кремниевые транзисторы. Их слаженная работа делает мир таким, как он есть сегодня, но этого мало. Поэтому транзисторы готовятся к квантовому скачку.
«Я думаю, транзисторы действительно являются невоспетыми героями информационной эры, – говорит вице-президент Intel Кайзад Мистри. – Эти крошечные переключатели… от них зависят наши компьютеры, серверы, смартфоны и ноутбуки».
Первый коммерческий микропроцессор Intel представила в 1971 году, и с тех пор она и все остальные вендоры стремятся увеличить их производительность, размещая все больше и больше транзисторов в одной микросхеме. Один из знаковых чипов Intel под номером 4004, вышедший 15 ноября 1971 года, содержал всего 2300 транзисторов, каждый из которых имел размер в одну тысячную часть миллиметра. Сегодня количество этих переключателей, контролирующих поток электричества, в микросхемах перевалило за миллиард, и они приближаются к наноразмерам.
«Устройства наномасштаба очень важные, поскольку общество зависимо от информации, – говорит автор книги «Цифра: наука компьютеров и как она меняет мир» профессор Питер Бентли. – Количество производимой и потребляемой информации с каждым днем растет и уже достигла громадных значений. Эти данные нужно где-то хранить и чем-то обрабатывать. Поэтому или мы уменьшаем размер транзисторов, или нужно будет ограничивать объем информации на каждого человека, иначе наша планета не выдержит».
Трехмерные транзисторы для передышки в гонке технологий
Вендоры пытаются дать каждому столько данных, сколько нужно, и уменьшают размеры транзисторов. Современная технология трехмерных переключателей позволяет производить их с размерами в 22 нанометра.
«За последние 40-50 лет транзисторы проводили электричество на плоской поверхности из кремния, – говорит Мистри. – Технология трехмерного транзистора является новой концепцией, которая позволила еще больше уменьшить размеры. Это фундаментально лучший переключатель».
Первым серийным чипом Intel, созданным на базе новых транзисторов, стала серия под названием Ivy Bridge. Такие переключатели (их иногда еще называют Tri-Gate) состоят из кремниевого гребня, установленного вертикально на кремниевой подложке. Этот гребень является рабочей частью нового транзистора. На нем располагаются три затвора, которые являются управляющими элементами. В обычном плоском транзисторе содержится только один затвор. Когда переключатель открыт, его сопротивление меньше, чем у обычных транзисторов, а когда закрыт – поток электронов стремится к нулю.
Благодаря этому чипы Ivy Bridge вмещают свыше 1,4 млрд транзисторов, которые способны переключаться 100 млрд раз в секунду. Они работают в 4000 раз быстрее и потребляют в 5000 раз меньше энергии, чем процессор Intel 4004.
Нанометры заканчиваются, пора искать замену
Трехмерные транзисторы дали кремниевым чипам и их производителям некоторое время передохнуть от технологичной гонки. Однако рано или поздно индустрии придется переходить на совершенно новую технологию.
«Транзисторы Tri-Gate являются удачным редизайном обычных плоских транзиторов, – говорит Бентли. – Одна из их ключевых проблем при наращивании производительности – это рассеяние тепла. Традиционные чипы становятся слишком горячими, а трехмерные транзисторы позволяют уменьшить это благодаря работе при меньшем напряжении».
Сейчас в Intel работают над созданием процессора с транзисторами в 14 нм. Запуск Intel Broadwell планировали на конец прошлого года, но в итоге перенесли на вторую половину текущего. Разработка чипов с транзисторами размером 10 нм отложили на еще более длительный срок.
«Мы скоро достигнем лимита, – говорит Бентли. – Транзисторы уже настолько маленькие, что в них проявляется эффект квантового туннелирования, когда электроны произвольно проходят сквозь твердые тела из-за квантовых эффектов. Это вызывает большие проблемы при разработке чипов. Если еще больше уменьшать транзисторы, микросхемы вообще перестанут работать».
На пороге квантового перехода
Эксперты говорят, что единственным выходом продолжить наращивать объемы информации и скорость ее обработки является развитие квантовых вычислений. Для своей работы они используют совсем иные принципы, чем кремниевые машины.
Вместо транзисторов, которые переключают поток электронов и тем самым создают двоичные нули и единицы информации, квантовый компьютер работает с квантовыми кубитами, которые могут содержать все возможные комбинации нулей и единиц. Подробней об особенностях квантовых машин можно прочитать в подборке необычных фактов о них.
«В теории квантовые компьютеры смогут решать сложные проблемы, отыскав верное решение среди множества ошибочных, благодаря тому, что они будут рассматривать все варианты ответа одновременно», – говорит Бентли.
Квантовые компьютеры сегодня находятся лишь в начале развития, однако уже обещают преимущества. Например, они в 35 тыс. раз быстрее обрабатывают структурированную информацию, чем традиционные специализированные компьютеры. Поэтому, например, Google и NASA в прошлом году вместе купили один из первых коммерческих квантовых компьютеров. Его создала канадская компания D-Wave Systems для нового центра исследования искусственного интеллекта в NASA.
Однако перед массовым внедрением квантовых компьютеров этой технологии предстоит пройти большой путь и преодолеть множество проблем. «На практике квантовые машины имеют много практических ограничений, – отмечает Бентли. – Поэтому нам придется потратить несколько десятилетий на доводку этой радикальной технологии прежде, чем мы сможем увидеть весь ее потенциал».
По материалам: CNN
