Новый метод проектирования и создания компьютерных чипов может привести к возможности молниеносной обработки данных, по крайней мере в тысячу раз более быстрой, чем у лучших существующих на сегодняшний день чипов.
Новый метод
Новый метод, который основан на материалах, называемых нанотрубками, позволяет ученым конструировать чип в трех измерениях. Трехмерный дизайн позволяет ученым связать между собой память, которая осуществляет хранение данных, и сам процессор в том же крошечном ограниченном пространстве. Сокращение дистанции между двумя элементами может значительно сократить время, которое компьютеры затрачивают на то, чтобы выполнять свою работу.
Замедление прогресса
Невероятный прогресс в вычислительной мощности на протяжении последних пятидесяти лет во многом обусловлен возможностью создавать более мелкие кремниевые транзисторы, трехзубцевые электрические выключатели, которые выполняют логические операции компьютера. В соответствии с законом Мура, который был сформулирован в 1965 году, число транзисторов на силиконовом чипе будет увеличиваться в два раза каждые два года. И предсказания Мура оказались правдой – транзисторы с каждым годом становились все меньше в размерах, и на чипе их умещалось все больше и больше. Сегодня самые маленькие из них могут быть размером всего в пять нанометров. Уменьшение размеров, однако, означает, что квантовые эффекты частиц в таком масштабе могут нарушить функционирование. То есть существует вероятность того, что закон Мура станет неактуальным в течение ближайшего десятилетия. Кроме того, уменьшение самих транзисторов не может уже так внушительно влиять на улучшение производительности компьютеров.
Долгое время коммутации
Основная преграда на пути возникновения намного более быстрых компьютеров – это не достижение нужной скорости процессора, а проблемы с памятью. Анализ больших данных требует от компьютера изъятия крошечного кусочка информации из огромного количества потенциально неизвестных ранее данных. Затем компьютер должен совершить трансфер данной информации с помощью электрического сигнала, передаваемого по проводам от памяти к процессору и обратно, все время пути борясь с электрическим сопротивлением, которое замедляет движение. Если вы попробуете сделать это на вашем компьютере, то 96% займет ожидание, когда вы не будете делать абсолютно ничего. И при этом вы тратите огромное количество энергии впустую. Пока процессор ждет данные, чтобы затем отправить сигнал обратно памяти, ваш компьютер потребляет энергию, хотя он не занят никакими подсчетами. Однако решение проблемы времени коммутации процессора и памяти не такое и простое. Эти два компонента не могут быть установлены на одну пластину, так как силиконовые элементы в процессоре нагреваются до 1000 градусов по Цельсию, в то время как металлические элементы жестких дисков плавятся при такой температуре.
Углеродные нанотрубки
Чтобы обойти данную проблему, ученые обратили внимание на другой материал – углеродные нанотрубки, крохотные сетчатые стержни, сделанные из атомов углерода, которые могут функционировать при низких температурах. Кроме того, обязательно стоит отметить, что углеродные нанотрубки (называемые также УНТ) имеют электрические свойства, которые повторяют свойства, присущие обычным кремниевым транзисторам. Если сравнить кремниевый транзистор и транзистор УНТ, то последний неоспоримо выигрывает. Это был бы гораздо более качественный транзистор, он бы функционировал быстрее, но при этом использовал бы меньше энергии. Однако синтез нанотрубок происходит беспорядочным образом, который никуда не годится для создания компьютерных схем. Таким образом, ученые создали новый способ синтеза нанотрубок в специальных узких канавках, которые направляют нанотрубки в соответствии с необходимыми нормами. Но было еще одно препятствие. В то время как 99,5% нанотрубок выравниваются, несколько оставшихся все равно будут неподходящими. Чтобы решить эту проблему, исследователи выяснили, что создание крошечных отверстий внутри чипа может гарантировать, что чип будет работать даже в том случае, если на нем присутствуют непрямые нанотрубки. Еще одной проблемой стал тот факт, что эти трубки также имеют свойства полупроводника, то есть они могут повести себя не так, как нужно, и нет метода, способного это предсказать. Эти редкие трубки могут испортить весь чип, а несколько испорченных чипов уже полностью лишают их производство финансового смысла. Однако ученые смогли «отключать» трубки с функциями полупроводников, оставляя лишь те, которые будут исполнять функции проводников.
Первый компьютер
В 2013 году был построен первый компьютер на УНТ. Однако он оказался медленным, громоздким, имел относительно немного транзисторов. Теперь же ученые сконструировали систему для укладки памяти и слоев транзисторов с крошечными проводами, их соединяющими. Новый дизайн сократил время коммутации транзисторов и памяти, и в результате подобная архитектура способна давать быстродействие в тысячу раз более высокое, чем любые существующие сегодня чипы.
