Файл: Исследование истории развития средств вычислительной техники.pdf

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе совместных исследований России, Германии, Великобритании и Иордании была открыта молекула 3-радиален, способная стать основой для серьезного прорыва в области органической электроники. Новое вещество может быть использовано для следующего поколения солнечных батарей, увеличит быстродействие транзисторов и улучшит характеристики LED и OLED.

Органическая электроника возникла всего два десятилетия назад. В первую очередь органические полупроводники нашли применение в секторе альтернативной энергетики, в частности с использованием солнечной энергии. Полученные по такой технологии панели превзошли аналоги с другой материальной основой по эффективности и долговечности, однако оказались более затратными в производстве. С органическими транзисторами вышла обратная ситуация – элементы получились недорогими и гибкими, но при этом недолговечными и небыстродейственными.

Недавняя работа инженеров из МГУ, УФУ, Института Иордании и ряда дрезденских институтов может стать основой для преодоления ключевых проблем современной органической электроники. В качестве первоначального применения 3-радиален выделяется использование в качестве дополнения к полупроводниковым схемам для увеличения проводимости (и быстродействия) традиционных электронных схем. Причем речь идет об увеличении проводимости в десятки и даже сотни раз. Однако этим потенциал открытия не ограничивается. Ожидается, что в будущем использование 3-радиалена и других молекул позволит создать полноценный органический компьютер, использующий исключительно органические компоненты.

Учитывая успехи в разработке компонентов и технологических баз для фотонных и квантовых компьютеров можно предположить, что очень скоро стандартным вопросом при выборе ПК станет то, какой тип компьютера интересует пользователя: квантовый, фотонный или органический

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акулов О.А. Информатика: учебник / О.А. Акулов, Н.В. Медведев. – М.: Омега-П, 2012. – 270 с.
2. Босова Л.Л., Н.И. Михайлова. – М.: Бином, 2012. – 400 с.
3. Алексеев А.П. Информатика 2007 / А.П. Алексеев. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012. – 608 с.
4. Вьюхин В.В. Информатика и вычислительная техника: учеб. пособие для инженерных специальностей / В.В. Вьюхин; под ред. В.Н. Ларионова. - М.: Дрофа, 2012. – 286 с.
5. Гейн А.Г. Основы информатики и вычислительной техники / А.Г. Гейн. - М.: Просвещение, 2012. – 245 с.
6. Информатика: практикум по технологии работы на компьютере / под ред. Н.В. Макаровой. - 2-е изд. - М.: Финансы и статистика, 2012. – 384 с.
7. Макарова Н.В. Информатика: практикум по технологии работы на компьютере / Н.В. Макарова, С.Н. Рамин. – М.: Академия, 2010. – 384 с.
8. Макарова Н.В. Информатика: учеб. пособие для вузов / Н.В. Макарова, Н.В. Бройдо. – М.: Академия, 2012. – 768 с.
9. Могилев А.В. Информатика: учеб. пособие для вузов / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер; под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Академия, 2010. – 346 с.
10. Острейковский В.А. Информатика / В.А. Острейковский. М.: Высш. шк., 2010. – 235 с.
11. Угринович Н.Д. Практикум по информатике и информационным технологиям: учеб. пособие для общеобразовательных учреждений / Н.Д. Угринович 2016