Какие открытия определят революцию в электронике будущего

Электроника давно и прочно пришла в нашу жизнь. Мы не можем представить себе ни дня без любимого смартфона, планшета или компьютера. Вместе с развитием электроники становятся понятны и ее ограничения - мы понимаем, что, несмотря на весь ее потенциал, у нее есть фундаментальные ограничения. Впрочем, ученые не были бы учеными, если бы не хотели сделать наш мир лучше, и самые светлые умы планеты уже много лет бьются над тем, чтобы электроника стала работать еще быстрее и эффективнее. Для этого они ищут в том числе альтернативные способы производить вычисления, то есть использовать для передачи информации не электрический ток, а что-то другое. Стимулом к развитию в данном случае выступает как необходимость делать более сложные вычисления для научных целей, так и чисто потребительский интерес к более быстрым, энергоэффективным и «вместительным» устройствам. Поэтому недостатка в исследованиях нет, а о самых интересных и необычных мы и расскажем в этом материале.

Как ускорить работу компьютера?

Возможный, но пока далекий от повседневной жизни пример устройства с невероятно высокой скоростью работы - это суперкомпьютеры. Однако существующие суперкомпьютеры (например, отечественный «Ломоносов») нельзя назвать портативными: часто они занимают несколько комнат.

Эти вычислительные машины используются, например, для расшифровки ДНК или для предсказания погоды, то есть для решения задач, в которых требуется обрабатывать большое количество данных.

Мечта же обычных пользователей - это относительно компактное устройство, работающее со скоростью суперкомпьютера.

Первый, самый простой способ увеличить скорость работы любого прибора - увеличить количество электронных компонентов, например транзисторов, последовательность которых выполняет элементарные операции. Однако это путь экстенсивный: скорость будет расти, но вместе с этим энергопотребление новых телефонов и компьютеров также увеличится. Такое развитие мы и наблюдаем сегодня - достаточно сравнить, например, время жизни без зарядки своего старого телефона и сегодняшнего смартфона. Такой способ развития был описан американским ученым, одним из основателей компании Intel Гордоном Муром в сформулированном им законе. Исследователь заметил, что каждый год появляются новые модели микросхем и количество транзисторов на них увеличивается вдвое. Так, в середине 1960-х годов он предсказал экспоненциальный рост скорости электронных устройств за короткий промежуток времени. Позже Мур подкорректировал собственный закон, по его мнению, двойное увеличение транзисторов будет происходить каждые два года.

Помимо количественного способа существует и качественный. Для скорости работы устройства важна скорость передачи данных внутри него. Информация передается в виде сигнала с различными значениями напряжения. Некоторые участки этого сигнала соответствуют единице привычного нам двоичного кода. От максимального количества нулей и единиц, которыми процессор может оперировать в течение секунды, и зависит производительность.

Наконец, производительность зависит от времени доступа к динамической памяти. На жестких дисках мы храним информацию в статической (долговременной) памяти, операции с которой являются довольно медленными относительно тактовой частоты процессора. Однако нам не нужны одновременно сразу все данные, которые есть в памяти наших устройств. То, что нам нужно здесь и сейчас, должно храниться в динамической памяти и доставаться именно оттуда.

Работа с этой динамической памятью, которая гораздо дороже и требует определенных энергозатрат, тоже ограничивает скорость гаджета.

Новый взгляд на электрон

На сегодняшний день информация в процессорах, будь то смартфон или суперкомпьютер, переносится с помощью электронов. Электроны, в свою очередь, обладают собственным магнитным моментом, или спином. И хотя открыли спин еще в начале ХХ века, эффективное использование спиновых эффектов в процессорах стало возможно только после 1988 года, когда был открыт гигантский магниторезистивный эффект. Он и дал толчок развитию технологий, использующих спин для переноса информации, именуемых спинтроникой. Суть этого квантового эффекта заключается в следующем: если создать структуру с тонкими чередующимися ферромагнитными и непроводящими слоями, то сопротивление такой структуры сильно зависит от направлений намагниченности ферромагнитных слоев. Эту намагниченность можно менять с помощью внешних факторов, например внешнего магнитного поля. Состояния с различным сопротивлением как раз и служат логическими нулем и единицей. На этом эффекте основана работа головки жесткого диска в современных компьютерах.

Но спинтроника для переноса информации или создания ячейки памяти использует не только ток. В качестве носителя могут рассматриваться также различные частицы или квазичастицы - например, скирмионы. Это такие области намагниченности, в которых спины отдельных атомов как бы закручены в определенном направлении. Такие структуры обладают устойчивостью и, как полагают, дадут в дальнейшем возможность создать память, плотность хранения информации в которой будет намного выше, чем в современной. Изучением таких структур, в частности, активно занимается в России группа ученых из МФТИ.

Со скоростью света

Отдельно стоит рассказать о передаче информации посредством световых импульсов. Их изучает отдельная область физики - фотоника. Ведущие компании полупроводниковой индустрии, такие как IBM, Oracle, Intel, HP, считают ее перспективной и инвестируют в фотонику миллиарды долларов, причем некоторые успехи уже достигнуты. В 2015 году IBM представила гибридный чип, в котором присутствовали фотонные элементы. А все потому, что замена части электронных элементов фотонными может ускорить компьютеры в десятки тысяч раз, не изменяя структуры самого процессора. Дело в том, что быстродействие многоядерных компьютеров определяется не столько тактовой частотой одного ядра, сколько скоростью обмена данными между ядрами. Между тем электрические медные межсоединения в микропроцессорах фундаментально ограничены по пропускной способности.

В ближайшем будущем именно они станут «бутылочным горлышком», не позволяющим линейно наращивать производительность.

Поэтому перед физикой и стоит задача создания принципиально новых межсоединений для ядер - например, на основе света. Оптическая линия передачи в десятки тысяч раз быстрее медной, и ее пропускной способности хватит надолго. Но главной проблемой таких соединений станет размер. Длина волны света в инфракрасном диапазоне составляет примерно микрон, а это значит, что и размеры фотонных элементов будут как минимум составлять единицы-десятки микронов. В реалиях гонки за энергоэффективность и борьбы с паразитным теплом - это большая проблема.

Обойти дифракционный предел помогает плазмоника. Вдоль границы раздела металла и диэлектрика может распространяться электромагнитная волна, возбуждаемая фотонами, которая и называется поверхностным плазмон-поляритоном. И если размер фотона и есть тот самый микрон, то уже сегодня ученые создают плазмонные волноводы шириной в 100 нм. Но для успешной интеграции плазмоники в современную электронику необходимо, кроме всего прочего, сделать ее коммерчески привлекательной.

До недавнего времени считалось, что плазмонные компоненты можно создавать только из золота и серебра, так как другие металлы намного менее энергоэффективны. Но проблема этих благородных металлов в несовместимости с современными методами литографии, т.е. наносить на плату объекты, содержащие золотые или серебряные компоненты, очень дорого. Однако ученые из МФТИ предсказывают «медную революцию», предсказав особое состояние меди, в котором она имеет сравнимую с золотом проводимость. Медь уже давно используется в производственном цикле микросхем, и нанесение медных плазмонных элементов на плату не требует каких-то дорогих модернизаций существующего процесса.

Квантовый компьютер

Отдельным направлением исследований современных ученых являются квантовые компьютеры. От обычных компьютеров они отличаются устройством памяти. В то время как ячейка обычной памяти хранит либо ноль, либо единицу, кубит (ячейка памяти квантового компьютера) при попытке считать его состояние оказывается с разными вероятностями либо нулем, либо единицей, находясь «между» этими состояниями до момента обращения, но не принимая ни одного из них. Таким образом, можно параллельно работать сразу со всеми возможными состояниями системы из группы кубитов, что и дает выигрыш в скорости вычислений.

Из-за этого вычислительная мощность квантового компьютера растет экспоненциально.

На сегодняшний день уже несколько групп ученых создали прототипы элементарных ячеек памяти, кубитов. В 2013 году немецкая группа ученых сообщила о кубите, хранящем свое состояние при комнатной температуре около 39 минут. В 2015 году группа российских ученых из Российского квантового центра, МФТИ, МИСиС и ИФТТ РАН создала свой кубит, а в 2016 году в МФТИ была создана первая российская двухкубитная система. Иначе говоря, прогресс в этой сфере двигается семимильными шагами, в том числе и в нашей стране.

Но и в применении квантовых компьютеров есть нюансы. В силу своих особенностей квантовый компьютер может решать только определенный класс задач. Он не заменит домашний ноутбук или смартфон, но некоторые сферы он поменяет полностью. В первую очередь «пострадают» криптография и передача данных. Хоть абсолютно устойчивые к взлому криптографические схемы существуют уже давно, их использовать дорого и неудобно. Обычно в коммерческих целях используются так называемые вычислительно-стойкие схемы. Для их взлома необходимо решить задачу большой вычислительной сложности, которая на практике нерешаема за разумный промежуток времени. Но на вычислительные мощности квантового компьютера такие схемы не рассчитаны. С передачей данных все обстоит немного по-другому. Квантовый сигнал нельзя перехватить так, чтобы адресат не узнал о том, что сигнал перехвачен. Дело в том, что в случае «без прослушки» адресату информация приходит в виде носителя с неопределенным состоянием, по аналогии с кубитом. При прослушке, чтобы расшифровать сигнал, нужно измерить состояния носителей, после этого носители будут находиться только в каком-то одном из возможных состояний. Поясним на примере: допустим, существует система, которая при попытке узнать ее состояние окажется с вероятностью 50% в состоянии А и с вероятностью 50% в состоянии Б. Пускай после измерения состояния она оказалась в состоянии А. При дальнейших измерениях мы всегда будем получать результат, что она находится в состоянии А. При этом важную роль играет так называемый «принцип невозможности клонирования», который запрещает создание точной копии квантового состояния без нарушения состояния оригинала.

Когда будут получены квантовые компьютеры достаточных вычислительных мощностей, непонятно, но это направление - одно из самых бурно развивающихся в современной физике.

Биомолекулы

Еще со времен опытов Гальвани по воздействию электричества на лягушачьи лапки взаимодействие электричества и биологических тканей является широко обсуждаемой в научном мире темой. Эти простые опыты послужили отправной точкой для настоящего прорыва понимания механизма проведения сигнала по нервной ткани в 60-х годах прошлого века. Теория, построенная тогда, до сих пор является самой точной во всей биофизике. К этому моменту электроника была очень развитой наукой, поэтому только зародившаяся наука биоэлектроника изучала возможности присоединения уже известных электронных устройств к биологическим тканям. Так появились кардиостимуляторы, измерители уровня глюкозы и нейроинтерфейсы для управления протезами, которые спасают и облегчают жизнь миллионам больных. Но в последнее время очень быстрое развитие молекулярной биологии показало, что электронике есть чему поучиться у живых организмов. Так началась эра биомолекулярной электроники.

Главная ее черта - переход с металлических проводов и кремниевых полупроводников на органические вещества, которые заметно лучше взаимодействуют с живыми организмами.

Например, уже сейчас чувствительность биосенсоров возросла на порядок. К тому же такие биосенсоры могут «питаться» растворенной в человеческой крови глюкозой, в отличие от кардиостимуляторов, которым требуется периодическая замена батарейки. Но переход на органические вещества помимо улучшения уже существующих технологий открывает и принципиально новые возможности.

Например, группа ученых из Гарварда создала управляемую током органическую «липучку», при подаче тока белки-нити на поверхности которой распрямляются, а при отключении - сворачиваются. Если поднести друг к другу распрямленные поверхности липучки и отключить ток, они свяжутся, как липучка на детских ботинках, только на несколько порядков сильнее. А при желании их разъединить нужно всего лишь снова подать ток. А теоретики из Массачусетского института технологии показали, что, используя систему из клеточных мембран, похожую на несколько слипшихся мыльных пузырьков, на поверхности которых закреплены специальные белки, которые в зависимости от напряжения на мембране будут переносить ионы с одной стороны на другую, можно проводить вычисления. Поскольку ионов в одном миллилитре воды больше, чем транзисторов в самых мощных компьютерах, на таком «биологическом компьютере» можно будет решать невозможные на данный момент задачи. Например, предсказывать форму белка по гену, который его кодирует. Если бы это было возможно сейчас, то, скорее всего, рак был бы уже в прошлом. Примером уже существующего биокомпьютера является разработка ученых из МФТИ. В ней логические сигналы передаются с помощью взаимодействия наночастиц.

Существует мнение, что биокомпьютеры будут доступны для практических целей заметно раньше, чем более популярные квантовые компьютеры, решая при этом почти тот же круг задач.

Иное будущее

Никто не может знать наверняка, каким будет будущее компьютеров. Одно понятно точно: современная электроника принципиально устарела, и рано или поздно придется делать переход на что-то новое. Крупные компании вроде Intel и IBM инвестируют в самые разные направления, многообещающие результаты получают ученые изо всех научных сфер, связанных с альтернативной электроникой, и по мере приближения человечества к созданию рабочих прототипов этих новых компьютеров начнется увлекательная битва технологий, подобных которой человечество еще не видело.