IT ExpertМир технологийНаука и техника

После электроники

Андрей Виноградов | 26.05.2015

ВКонтакт Facebook Google Plus Одноклассники Twitter Livejournal Liveinternet Mail.Ru

После электроники

Предыстория

Спинтроника

Фотоника

Прошлый век можно с уверенностью назвать веком электроники. Умение человека использовать элементарную частицу для своих нужд оказало огромное влияние на все происходящее вокруг нас. Но у всего на свете есть предел, и, как это ни странно, именно свойства электрона становятся тем самым бутылочным горлышком, ограничивающим развитие компьютеров. Например, я на своем опыте убедился, что с комфортом монтировать видео в 4K-разрешении пока не на чем. Как же кардинально увеличить производительность?

Предыстория

Рождение электроники напрямую связано с изобретением радио. Для преобразования электрических сигналов в звук потребовалось создать элементную базу. Первые такие приборы основывались на электронных лампах. Но нас в большей степени интересуют транзисторы, так как именно с их появлением в 1947 году началось бурное развитие отрасли, положившей начало компьютерам. Трудно представить, но даже выпущенный в 2008-м простенький одноядерный процессор Intel Atom N270 содержал 47 млн транзисторов!

img

Однако в последние годы рост производительности процессоров замедлился. И виной тому не столько экономический кризис, ослабивший конкуренцию, сколько фундаментальные проблемы. Дело в том, что, как бы странно это ни звучало, электрон стал слишком медленным. Да, какие-то ограничения удается преодолеть за счет новых материалов, улучшения архитектуры, но все эти меры ничто по сравнению с тем, что может дать применение иного основного элемента.

Спинтроника

В 1988 году немецкий физик Питер Грюнберг (Peter Andreas Grunberg) и его французский коллега Альбер Ферт (Albert Fert) независимо друг от друга открыли эффект гигантского магнетосопротивления, за что и удостоились Нобелевской премии по физике.

img

Питер Грюнберг

Ученые заметили, что электрон направляется туда, куда направлен его спин, или ось вращения. В свою очередь на спин можно воздействовать при помощи магнитного поля.

img

Но управлять электроном таким способом можно лишь при перемещении первого по сверхтонкому полупроводнику – в противном случае магнитное поле не оказывает влияния на спин и электрон постоянно меняет направление оси, а значит, и движения.

img

Альбер Ферт

С разработкой всех основополагающих компонентов родилась наука спинтроника. Приборы, в которых возможно применение спинового тока, будут значительно компактнее предшественников благодаря использованию наноструктур вместо крупных полупроводников. Но спинтроника решает только часть вопросов, ускорить электрон она не поможет.

Фотоника

Идея о необходимости открытия более совершенной элементарной частицы звучит давно. А сама история фотоники ведет свое начало с 1960 года, даты изобретения лазера. Но наиболее активно наука стала развиваться уже в нашем веке. Фотон удивителен: он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Устройства, использующие фотоны, способны передавать данные практически без потерь на тепловыделение. Кроме того, в случае с фотонами достаточно просто распараллеливать вычисления посредством использования разных длин световых волн: поскольку они не смешиваются между собой и в пучке представляют множество разных каналов, открывается возможность одновременно запускать в работу несколько вычислительных процессов, за каждый из которых отвечает конкретная световая волна.

img

Здесь стоит вспомнить о таком замечательном ученом, как Джон фон Нейман (Johann von Neumann). В 1940-х годах, работая над первым в мире ламповым компьютером, он описал принцип совместного хранения команд и данных в памяти электронного вычислительного устройства. Именно на архитектуре фон Неймана построены все классические компьютеры, но ее нельзя использовать в фотонных системах: вычисления в фотонике не могут производиться при помощи двоичного кода – требуются своя архитектура и кодировка. Кроме того, фотон намного больше электрона. Поэтому разработчики пытаются каким-то образом скрестить возможности супербыстрого фотона с понятным и привычным электроном.

img

В конце прошлого века американской Bell Laboratories удалось создать прототип такого гибридного компьютера, но широкого распространения он не получил из-за крайне узкого спектра решаемых задач. Таким образом, фотонные компьютеры нового типа вряд ли заменят классические ПК – для многих задач они будут менее эффективны. Лучше всего их способности проявятся в обработке больших массивов данных, скажем в метеорологии, для прогнозирования погоды на основании сотен показаний из сотен мест. Другое дело, что разработчики наверняка попытаются объединить достоинства разных систем. Так, на недавней Conference on Lasers and Electro Optics ‘2015 IBM заявила о готовности выпустить процессоры на основе кремниевой фотоники, то есть работающие как с электронами, так и с фотонами.

Выводы

Над технологиями, способными кардинально повысить производительность компьютеров, работают Intel и другие компании. А значит, вполне возможно, приобрести личный суперкомпьютер удастся намного быстрее, чем можно себе представить.

Журнал IT-Expert № 05-06/2015    [ PDF ]    [ Подписка на журнал ]

Об авторах

Андрей Виноградов

Андрей Виноградов

Главный редактор журнала IT Expert. С 10 лет занимается фотографией, член жюри национальной премии «Продукт года». Любит путешествовать, бывать не только в излюбленных туристами районах, но и видеть жизнь обычных людей, впитывать дух этих мест.

Мероприятия

24.10.2018
Как построить маршруты торговых представителей и увеличить продажи на 15-20%?

Москва, Москва, Ленинградский проспект, 39, строение 14, офис 203-204, Центр логистики.

26.10.2018
Цифровая трансформация для Руководителей и Собственников бизнеса

Москва, Озерковская наб. 26, отель «АКВАМАРИН» (М. Новокузнецкая, Третьяковская), конференц-зал «ЭМЕРАЛЬД» (1 этаж)

09.11.2018
BPM: Ключ к эффективности вашего бизнеса

Новосибирск, Park Inn by Radisson Novosibirsk

15.11.2018
Teradata Форум 2018

Москва, Отель «Ритц-Карлтон»