Когда умрет электроника

Эпоха электроники движется к своему закату. Существующим сегодня компьютерам уже не хватает мощности и скорости для решения научных и производственных задач, от которых зависит жизнь и благополучие человечества. Поэтому физики и математики всего мира пытаются создать совершенно новый продукт — вычислительную машину, работающую в разы эффективнее. И это такая же важная проблема, как для миллионов врачей поиск лекарства от ВИЧ-инфекции

Ток побежал по спину

Подготовка к свержению электрона с пьедестала главной элементарной частицы, при помощи которой работают все устройства, приводимые в действие за счет электрического тока, — компьютеры, всевозможные гаджеты и бытовая техника, — началась не пять и даже не десять лет назад, а намного раньше.

Мысль, что ток может проходить по приборам без участия заряда электрона, стала актуальна после того, как физики Альбер Ферт и Петер Грюнберг в 1988 году независимо друг от друга открыли эффект гигантского магнетосопротивления (Giant magnetoresistance — GMR). За это через девятнадцать лет они получили Нобелевскую премию по физике. Но этого могло и не случиться, если бы еще раньше исследователи Отто Штерн и Вальтер Герлах не обнаружили наличие у электрона спина — некоего подобия маленькой оси, вокруг которой он вращается.

Все по школьным урокам физики знают, что у электронов есть заряд и есть спин, и электрический ток получается тогда, когда мы воздействуем на заряд. Однако спин тоже можно двигать при помощи магнитного поля, и от направления спина зависит поведение электрона.

Так вот, Фер и Грюнберг, проводя опыты в своих лабораториях, заметили, что электрону свойственно бежать туда, куда указывает его спин, подверженный воздействию магнитного поля, — это они и назвали эффектом GMR. Однако управлять спином электрона можно только в том случае, если частица перемещается по сверхтонкому наноразмерному полупроводнику. Если же электрон путешествует по толстенному металлическому проводу, магнитное поле не может дотянуться до спина. Электрон сам постоянно меняет направление оси и несется туда, куда его влечет, то есть постоянно в разные стороны.

Когда в науке были открыты и сложились все ключевые компоненты — спин и способность им управлять, — тогда появилась возможность создавать наноматериалы. И созрела такая научная область — спинтроника. Сейчас ею занимаются в тысячах лабораторий по всему миру.

В одной из таких, расположенной в Институте физики металлов УрО РАН, ученые создают спинтронные устройства.

— Почему спинтроника так интересна? Почему она может заменить электронику? Потому что приборы на спиновом токе намного (в разы) компактнее. И что еще важнее — благодаря тому, что носителями для тока у нас становятся не толстые полупроводники, а малюсенькие наноструктуры, спинтронные устройства получаются сверхчувствительными и точными, — рассказывает директор института Владимир Устинов, шагая впереди меня по отделу наноспинтроники, обстановка в котором смахивает на декорации из фантастического фильма. Мы отражаемся в огромных зеркальных металлических пластинах, привинченных к стенам, из-за приоткрытых дверей в лабораториях видны приборы, опутанные серебристыми и цветными проводками. Уже около десяти лет здесь сотрудники института и специалисты уральского НПО автоматики создают спинтронные датчики для космических спутников и авиационной техники.

— С 1997 года за рубежом начали делать такие спинтронные устройства для компьютеров, как считывающие головки. Так что это направление физики уже давно имеет не только хорошую фундаментальную базу, но и практический опыт, — продолжает экскурсию директор и показывает мне блестящие установки, на которых происходит напыление на маленькую кремниевую платинку ферромагнитного нанослоя для изготовления спинтронных чипов. — А вот тут мы занимаемся начальным этапом работы по созданию магнитной оперативной памяти для компьютеров — MRAM (Magnetic Random Access Memory). На Западе это уже активно развивается. Вот обычные электронные компьютеры основаны на использовании полупроводниковых транзисторов и динамической памяти — DRAM (Dynamic Random Access Memory). А магнитная память — более высокий уровень. Эта память может быть энергонезависимой, и ее содержимое не исчезает при отключении питания. Она отличается быстродействием, потому что спин заставляет электрон реагировать быстрее, чем это делает заряд. А еще она устойчива к воздействию радиации — а значит, идеально подходит для применения в космосе или в автоматизированных системах на атомных станциях, атомных подлодках.

Все эти преимущества позволяют рассуждать о спинтронике как о неплохой базе для компьютеров нового поколения. К тому же в 2007 году исследователи Делавэрского университета и английской компании Cambridge NanoTech совершили в этом направлении еще один прорыв — создали первый в мире спинтронный транзистор на кремнии. Транзистор — то самое устройство, которое является основой основ любого существующего компьютера, именно оно кодирует информацию в битах при помощи двоичной системы, чередующихся ноликов и единиц. О своем изобретении ученые написали в статье, опубликованной в том же году в научном журнале Physical Review Letters.

По сути, разработка спинтронного транзистора означает, что ученые смогли крепко ухватить электрон за спин и заставить эту частицу бежать в указанном направлении на большие расстояния. Однако только 40% электронов, изначально присутствующих на полупроводнике, физикам удалось сдвинуть с места. Остальные частицы рассеялись или были поглощены одним из нанослоев. Эксперименты продолжились, но пока добиться стопроцентного подчинения электронов магнитному полю у ученых не вышло.

Сейчас физики ищут новые наноматериалы, по которым спин будет толкать электрон быстрее и без потерь. Впрочем, некоторые ученые скептически относятся к этим попыткам и предлагают еще одну альтернативу электронике.

Связанные фотоны

— Если хотите понять, почему электроника и даже спинтроника скоро окажутся в хвосте прогресса, нужно уяснить одну простую вещь: электроны очень медленные, хоть и маленькие, а вот фотоны невероятно быстрые, пусть и большие. Так как перед нами стоит задача создания устройства, работающего на огромной скорости и очень чувствительного, — лучше всего выбирать фотоны. Ведь что еще может быть быстрее скорости света? — рассуждает Наталья Берлова, физик, декан Сколковского института науки и технологий, заведующая кафедрой квантовых жидкостей факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета.

Использовать свет в качестве передатчика информации начали еще в 1970-х годах, позже появились оптоволоконные сети, через которые в дома людей побежал интернет, цифровое телевидение и телефонная связь. И только в начале XXI столетия на основе частиц света (фотонов), двигающихся по стеклянным или полимерным трубочкам значительно быстрее, чем электроны по металлическим проводам, физики взялись создавать вычислительные устройства.

Компьютер на фотонах будет иметь массу преимуществ, кроме уже не раз упомянутой невероятной скорости. Во-первых, информация будет передаваться по оптоволокну почти без потерь тепла и энергии. Во-вторых, волны света разной длины не смешиваются между собой и в пучке представляют собой множество разных каналов. Таким образом, появляется возможность единовременно запускать в работу несколько вычислительных процессов, за каждый из которых будет отвечать конкретная световая волна. Это называется параллелизацией при передаче и обработке данных.

Для чего нужна параллелизация? Например, для того, чтобы компьютер в одно мгновение мог проанализировать множество разных метеорологических показателей: замеры атмосферного давления, температуры, силы ветра, силы солнечной активности, — и быстро выдать самый точный недельный прогноз погоды по всем городам России.

— В применении фотонов вместо электронов множество плюсов, но есть один гигантский минус, который нивелирует преимущества. Фотонный компьютер — это совершенно иной механизм, нежели наши обычные компьютеры, — поясняет Берлова. — И работать такое устройство будет совсем по иным принципам. В нем невозможно использовать стандартную для обычных электронных вычислительных машин архитектуру фон Неймана, вычисления не будут производиться при помощи двоичного кода, на котором написаны сейчас все программы. Получается, нужно изобретать совершенно другую вычислительную систему, кодировку и архитектуру, а это уже требует новых инженерных решений, которых пока не существует.

Фотонный и электронный компьютер можно сравнить с разными формами жизни. Наши нынешние компьютеры или ЭВМ — это, допустим, земная форма жизни на углероде, а фотонные машины —как будто альтернативная форма жизни на основе азота и фосфора или кремния. Решить новые инженерные задачи — значит перестроить всю базу, а на это уйдет много сил, денег и, что самое важное, времени.

Несмотря на эти сложности, ученым все же не хочется отказываться от суперскоростного фотона, и они начинают экспериментировать с гибридными устройствами: связывать фотон с тем же электроном. То есть пускать очень быстрый сигнал в виде световых волн, но потом преобразовывать его в стандартный электронный сигнал, который хорошо считывается существующим способом и кодируется в привычные всем биты.

Первый прототип устройств на основе связанных состояний (фотонов, соединенных с электронами) появился в 1990-е годы. Пионером в этом деле стала американская компания Bell Laboratories. Но их изобретение так и не стало продуктом массового потребления, потому что изначально разрабатывалось на деньги военных и могло решать только узкие задачи. Оно совсем не было предназначено для обработки фото, видео, музыки и текстов одновременно, как наши ныне действующие персональные компьютеры.

— Сейчас перед учеными и компаниями стоит задача совершенствовать эти технологии. Успешно этим занимается, например, всем знакомая компания Intel, — рассказывает Наталья. — Они продолжают выпускать стандартные компьютеры, но вместе с тем очень серьезно занялись фотоникой и сообщают, что представят миру свои прототипы и наработки уже в течение двух ближайших лет. Вообще, фотоника входит в приоритет всех западных программ. Например, недавно Европейская комиссия обозначила шесть ключевых направлений в сфере физики и компьютерных технологий и на исследования выделила примерно семь миллиардов евро до 2020 года. Одно из направлений — фотоника и оптоэлектроника. Но не только европейцы этим занимаются — лаборатории в США и России тоже всерьез взялись за эту тему: можно назвать физтех МГУ и Физико-технический институт в Питере. Поэтому хоть пока и нет каких-то громких результатов, будоражащих сознание людей, это не означает, что ничего не получится. Революция все равно случится.

Дивный квантовый мир

Самая удивительная и самая ожидаемая машина, которая сможет заменить ЭВМ, — это квантовый компьютер. Над ним работают уже около двадцати лет. И действительно, сделано уже многое: собраны все элементы этого устройства и даже создана инженерная база для программирования на нем, которая, как и в случае с оптическими компьютерами, должна была писаться полностью с нуля.

Ударными темпами квантовый компьютер конструируют неспроста. Потребность в создании такой машины еще в 1982 году высказывал гениальный американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своей научной статье в издании International Journal of Theoretical Physics.

Ученый писал, что заниматься квантовой физикой, изучать и моделировать особые законы микромира, которые совершенно отличаются от законов классической физики, невозможно на стандартных компьютерах. Ведь для этого требуется выполнять невообразимо много вычислений единовременно — с чем не может справиться ни одна ЭВМ. Поэтому необходимо создавать квантовую машину, которой это будет по силам.

— Фейнман утверждал, что эта установка смогла бы работать с такой скоростью и мощностью обработки информации, что когда бы на ней моделировали эксперимент, например пытались сделать компьютерную модель какого-либо квантового явления, машина бы анализировала все и показывала ученым уже готовый результат за секунды. А такое количество информации, которое нужно обработать для создания моделей квантовой физики, действительно не потянет нынешний компьютер, — отмечает Наталья Берлова.

Такими сверхспособностями квантовый компьютер обладает потому, что информация на нем кодируется иначе. В обычной электронике есть стандартный двоичный код типа 1001010, где единички и нолики — это два разных положения спина: направленный вверх спин обозначает 1, направленный вниз — 0. В квантовой физике элементарные частицы и спин гипотетически рассматриваются в таком приближении, когда можно разглядеть, как спин поворачивается не вверх или вниз, а в сторону, то есть можно заметить еще одно положение спина, которое находится уже не в двухмерной системе координат, а в трехмерном пространстве. Когда спин смотрит в сторону, в квантовой физике это называется суперпозицией. Таким образом, получается, что на квантовом компьютере мы можем записать и закодировать не только 0 или 1, которые представляют собой классический бит информации, но еще и эту суперпозицию, то есть объемную, а значит, очень большую единицу измерения — кубит.

Чтобы понять, какие возможности это дает, можно пофантазировать. Сначала представить один бит (0 или 1) как правую или левую руку, которые выполняют только одну или другую задачу. А вот один кубит — это сразу 1 и 0, и еще какое-то n-ное положение спина — как будто сразу несколько рук, которые могут одновременно совершать разные команды. Именно так становится доступной кодировка сразу нескольких возможных состояний спина — и, как следствие, обработка множества потоков информации параллельно.

Главная проблема, которая пока так и не дает построить эту чудо-машину, — неспособность масштабировать количество кубитов. Ученые уже смогли создать все элементы компьютера, однако до сих пор не способны построить систему с большим числом кубитов, потому что микромир квантовых объектов очень нестабилен и плохо подчиняется организации.

Хотя в 2011 году канадская компания D-Wave Systems заявила, что якобы построила квантовый компьютер с 128-кубитным процессором. Эта машина даже проходила вычислительное тестирование, результаты которого зафиксированы в научной статье, опубликованной в Корнельском университете. Беда в том, что многие физики сегодня критикуют эту разработку и итоги эксперимента, утверждая, что пока эта машина справляется с вычислениями немногим лучше обычного электронного процессора.

Тем не менее сегодняшних наработок в области квантовых вычислений хватает для того, чтобы по пути к большой цели создать другие не менее важные устройства. Например, такие как квантовые часы, которые работают на кубитах и являются главным элементом в системе спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС. Сейчас их же используют для создания автомобилей-роботов.

Еще одна шикарная идея попутного применения квантовых технологий — это квантовые деньги, которые невозможно будет украсть, так как каждая единица квантовой валюты будет закодирована в кубитах. Такая шифровка — самая надежная. Так происходит из-за нестабильного состояния квантовой системы — однажды закодированная, она уже никогда не вернется в подобное состояние, будет непрерывно искажаться.

— Может быть, сейчас и не совсем понятно, когда именно появятся квантовые компьютеры. Но идею точно должны реализовать, поскольку эта машина так же значима, как и какой-нибудь эликсир бессмертия, — смеется директор уральского Института физики металлов Устинов. — Просто обе эти великие вещи будут работать на разные цели: эликсир — на вечную жизнь, а квантовый компьютер — на создание.

Детали процессора Intel. Кремниевый фотонный модуль с объемом 50 гигабайт (слева) подключается к микросхеме (справа)

next

ФОТО: INTEL CORPORATION

Источник: expert.ru

Комментарии: