Национальный научный фонд США потребовал от правительства США в 2009 финансовом году выделить 20 млн. долл. на проект, получивший название Science and Engineering Beyond Moore’s Law («Наука и инженерия после закона Мура»). Проект будет посвящен академическим исследованиям в сфере технологий, в том числе углеродных нанотрубок, квантовых вычислений и процессоров с большим числом ядер, которые могли бы улучшить и заменить современные транзисторные технологии. Это делается исходя из предположения, что в ближайшие десять-двадцать лет закон Мура перестанет действовать, и необходимо найти замену нынешним кремниевым технологиям.
Согласно закону Мура, число транзисторов на микросхеме и, как следствие, вычислительные ресурсы удваиваются каждые полтора года.
Прогресс в экономических и гуманитарных науках, которого за последние два десятилетия добились Соединенные Штаты, во многом определил возможности обработки информации и вычислений, как считает Майкл Фостер, директор подразделения фундаментальных исследований в области вычислений и коммуникаций Национального научного фонда.
«Если современный технологический базис теряет свою актуальность, нам необходимо найти ему замену или отказаться от движения вперед», — заметил он.
Традиционный способ увеличить производительность транзисторов состоит в уменьшении толщины затвора, или изолирующей прослойки, отделяющей один элемент транзистора от другого. Но этого нельзя делать до бесконечности. Сокращать размеры транзисторов можно только до тех пор, пока они эффективно работают, после чего их необходимо заменить или как-то усовершенствовать.
«Относительно скоро, через восемь-десять лет, мы уменьшим толщину затвора до такой степени, что он больше не сможет действовать как эффективный изолятор, — подчеркнул Фостер. — Я не знаю никаких других способов увеличить производительность современных транзисторов. Вот почему считаю необходимым разрабатывать совершенно новые структуры, подобные транзисторам, на основе нанотехнологий».
Углеродные нанотрубки, по словам Фостера, можно использовать для изготовления транзисторов меньшего размера. Производительность транзистора связана с его размером: чем меньше транзистор, тем лучше он работает.
«Углеродные нанотрубки позволяют нам создавать значительно меньшие по размерам транзисторы, чем мы в состоянии делать сейчас», — подчеркнул он.
Кроме того, углеродные нанотрубки можно использовать как межсоединения на микросхемах. Нанотрубки в микросхеме можно размещать одну за другой, но это потребует создания методов построения отказоустойчивых структур. Для этого, как отметил Фостер, тоже необходимо провести новые исследования и усовершенствовать архитектуру процессоров.
«Мы считаем, что архитектура в любом случае будет играть важную роль, когда закон Мура потеряет силу», — заявил Фостер.
В долгосрочной перспективе, по мнению Фостера, решения для реализации массивных вычислительных систем поможет найти теория квантовых вычислений. Эта теория предполагает использование атомов и молекул вещества для выполнения большого числа задач на скоростях, сравнимых со скоростью суперкомпьютеров, поскольку элементарные ячейки данных, называемые «кубитами», одновременно могут нести значение и нуля, и единицы, и обмениваться этими значениями со всеми остальными кубитами. Квантовые вычисления строятся на законах квантовой механики, которая изучает взаимодействие и поведение вещества на атомарном и субатомарном уровне.
«Если судить по состоянию дел сейчас, то при практической реализации в качестве кубитов могут, например, использоваться отдельные ионы вещества, охлажденного до очень низкой температуры. Сейчас для того, чтобы добиться нужной миниатюризации, необходима комната, полная всевозможного оборудования. Безусловно, здесь необходимо проделать огромную работу, но сама по себе технология кажется весьма многообещающей», — считает Фостер.
Идея, лежащая в основе квантовых вычислений, состоит в том, что эта технология обеспечивает естественный параллелизм, поэтому ее разработка требует совершенствования в сфере параллельного программирования, когда несколько компьютеров одновременно выполняют одну и ту же программу. Параллельное программирование изучают с 70-х годов, но пока значительного прогресса добиться не удалось.
«Мы можем и далее расширять наши возможности, при этом не обязательно увеличивая потенциал собственно компьютеров. Но нам необходимо провести ряд исследований в области программного обеспечения для того, чтобы понять, как координировать работу не одного или двух компьютеров, а тысяч и миллионов вычислительных систем», — считает Фостер. И здесь не все так просто, учитывая, что ученые десятки лет предпринимают попытки разобраться в параллельном программировании, но пока не добились серьезных успехов.
Фонд уже финансирует исследования в области нанотехнологий, программного обеспечения и архитектуры в поиске решений, которые можно будет использовать для создания микросхем, что позволит по-прежнему наращивать вычислительные возможности и после окончания действия закона Мура.
В конце концов, как заметил Фостер, заменить современные транзисторы трудно, поэтому ученые стремятся создать более эффективные архитектуры и структуры микросхем, которые опирались бы на существующую транзисторную технологию для того, чтобы поддержать темпы наращивания вычислительных возможностей.
«Я не сомневаюсь в том, что мы можем произвести очень большие процессоры с тысячами ядер (я опасаюсь называть большие числа, поскольку это может показаться безумным), но, если мы это сделаем, то должны будем создать необходимые нам вычислительные и информационные технологии», — заметил Фостер.
Бюджет в 20 млн. долл. выглядит весьма скромным по сравнению с суммами, выделяемыми на исследования такими компаниями, как Intel и IBM.
«Это финансирование позволит лабораториям помогать исследованиям, проводимым частными компаниями, а не конкурировать с ними», — отметил Фостер. Национальный научный фонд США поручит проведение этих исследований научным лабораториям и отраслевым ассоциациям, таким как Semiconductor Research, которые, в свою очередь, смогут работать с коммерческими организациями. А те смогут вложить в исследования собственные средства и довести их до этапа массового производства.
Фостер признал, что на этот проект возлагаются весьма скромные надежды. «Это лишь самое начало исследований. И мы не можем рассчитывать на какие-либо определенные результаты», — сказал он.