Возможности кремниевой архитектуры исчерпали себя, и дальнейшая миниатюризация элементной базы близка к своему пределу

Корпорация IBM в ближайшие пять лет планирует выделить 3 млрд долл. на поиск новых материалов для изготовления процессоров. В IBM намерены переосмыслить компьютерную архитектуру и оценить перспективы, в которых, возможно, кремниевым чипам места уже не останется. Новая инициатива должна открыть дорогу квантовым компьютерам, а также когнитивным системам, имитирующим функциональность мозга.

Возможности кремниевой архитектуры исчерпали себя, и дальнейшая миниатюризация элементной базы близка к своему пределу. Сегодня в IBM изучают возможности графена, углеродных нанотрубок и других материалов, способных прийти на смену кремнию, и пытаются создавать микросхемы, размеры которых можно будет уменьшать до атомного уровня.

Анонс IBM прозвучал через месяц после того, как о переосмыслении базовой архитектуры компьютеров объявила компания Hewlett-Packard.

В IBM уже сейчас активно занимаются квантовыми компьютерами и компьютерами, работающими подобно мозгу. Соответствующие теоретические положения разрабатывались на протяжении десятилетий, однако реализовать их на практике оказалось весьма затруднительно. Компьютеры нового типа должны базироваться на совершенно ином фундаменте по сравнению с машинами, используемыми сегодня. Соответственно возникает вопрос, какой из предлагаемых архитектур следует отдать предпочтение.

IBM сопоставляет и комбинирует различные технологии, подготавливая строительные блоки для компьютерных систем будущего.

Первые результаты исследований, очевидно, можно будет наблюдать в области высокопроизводительных вычислений, но в конечном итоге они найдут отражение и в портативных и настольных компьютерах. Впрочем, какие-то конкретные временные рамки назвать еще трудно.

Ставки растут по мере того, как действие закона Мура близится к своему завершению. Много лет назад один из основателей Intel Гордон Мур заявил, что число транзисторов в интегрированных схемах будет удваиваться через каждые два года. До сих пор сформулированный им закон не терял своей актуальности, но ожидается, что уже в следующем десятилетии его действие прекратится. Инженеры пересматривают классическую процессорную архитектуру, стремясь добиться дальнейшего увеличения роста производительности. И чем меньше становятся чипы, тем большую важность приобретает эта задача. Intel уже вовсю готовится запустить производство с нормой проектирования 14 нм, а в ближайшие годы норма проектирования должна уменьшиться до 10 нм.

Ожидается что предел миниатюризации наступит при переходе к 7-нанометровому производственному процессу, поскольку отрасль вплотную приблизится к атомному уровню.

«Чем мы будем заменять существующие технологии на этом рубеже, пока неясно», — признался Гуха. — Углеродные нанотрубки считаются сегодня наиболее вероятной заменой кремнию. Исследователи из IBM постепенно уменьшают размеры углеродных нанотрубок, но при этом все острее встают вопросы охлаждения. В последнее время участились споры и в сфере безопасности. Тем не менее большинство сходится на том, что решить технические проблемы вполне возможно».

IBM проектирует компьютеры, моделирующие функциональность мозга, в рамках программы SyNAPSE. Мозг обрабатывает информацию, которая параллельно поступает в него через триллионы соединений, называемых синапсами. В 2011 году в IBM продемонстрировали нейронный чип с программируемыми и обучаемыми синапсами, которые обеспечивали возможности навигации и распознавания образов. Сегодня цель IBM заключается в построении нейронного чипа, имитирующего работу человеческого мозга. При наличии 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов он будет потреблять всего один киловатт электроэнергии.

Сердцем квантовых компьютеров являются квантовые биты (кубиты), в которых хранятся значения нулей, единиц и их суперпозиции. Этим они отличаются от обычных компьютеров, в ячейках памяти которых в любой конкретный момент времени находится либо 0, либо 1. Благодаря увеличению числа поддерживаемых состояний кубиты позволяют увеличить скорость выполнения вычислений.

Конечно, исследователям предстоит преодолеть еще очень много трудностей, включая квантовый шум, при котором кубиты переходят в нежелательные состояния, что осложняет нормальное выполнение программ. Единственный известный квантовый компьютер продается сегодня компанией D-Wave Systems, однако в IBM также ведутся активные исследования в данной области.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF