Новая инициатива должна открыть дорогу квантовым и когнитивным компьютерам, имитирующим функциональность мозга.

Возможности кремниевой архитектуры

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

«Базовая архитектура компьютеров остается неизменной с 40-х годов XX века, – отметил руководитель направления физических исследований в IBM Research Супратик Гуха. – Учитывая весь груз проблем, с которыми производителям приходится сталкиваться сегодня, мы чувствуем, что настала пора искать новые формы компьютеризации».

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.

«Цель IBM заключается в том, чтобы подготовить строительные блоки для систем, которые смогут осуществлять интеллектуальную обработку больших объемов данных, потребляя при этом значительно меньше электроэнергии, – пояснил старший вице-президент подразделения систем и технологий IBM Том Розамилиа. – Такие компьютеры могли бы помочь в изучении онкологических заболеваний, моделировании погоды и создании более интеллектуальных облачных сервисов. Разнообразные ускорители, к числу которых относятся, например, графические процессоры, повышают производительность компьютеров в краткосрочной перспективе, однако дальнейшее увеличение плотности размещения элементов в кремниевых процессорах, необходимое для дальнейшего роста производительности и снижения энергопотребления, представляет собой гораздо более сложную задачу. В определенные исторические моменты отрасль должна совершать скачок от одной технологии к другой. И если мы не начнем изобретать новые решения прямо сейчас, никто за нас этого не сделает».

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

IBM сопоставляет и объединяет различные технологии, подготавливая строительные блоки для новых компьютерных систем.

«Некоторые сочетания сумеют доказать свою эффективность и будут использоваться на протяжении многих лет, – указал Розамилиа. – Планировать все нужно на долгие годы вперед. И мы очень серьезно к этому относимся».

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 Розамилиа назвать затруднился.

Инвестиции 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 процессорную архитектуру, стремясь добиться дальнейшего увеличения роста производительности. И чем меньше становятся чипы, тем большую важность приобретает эта задача. Intel уже готовится организовать производство с нормой проектирования 14 нм, а в ближайшие годы норма проектирования должна уменьшиться до 10 нм.

Процессорная революция произошла в 1950 году, когда ученые начали использовать очищенный кремний, но расширять функционал при переходе к 7-нанометровому производственному процессу становится все труднее, поскольку отрасль уже приближается к атомному уровню.

«Чем мы будем заменять существующие технологии на этом рубеже, пока неясно», – признался Гуха. – Углеродные нанотрубки, представляющие собой цилиндры из атомов углерода, 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, все сходятся на том, что решить технические проблемы вполне возможно".

Для разработки квантовых компьютеров и компьютеров, функционирующих по принципу мозга, требуются дальнейшие исследования поведения компьютеров.

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 начале нынешнего года исследователям IBM удалось перевести компьютерные отношения в плоскость квантовой механики, где поведение и взаимодействие описывается на атомном и субатомном уровне.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями