Каким было и каким будет развитие вычислительной техники? Рассказываем в нашей статье.
Последние 50 лет мы наблюдаем взрывной рост в сфере вычислительной техники: вокруг нас сейчас не только персональные компьютеры, но и ноутбуки, смартфоны, умные часы, умные счётчики, умные дома. Если раньше компьютеры занимали целые здания, то теперь гораздо более мощные устройства помещаются буквально в карман.
Одно из наблюдений, касающихся этого потрясающего прогресса, называется законом Мура и формулируется так: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца». Это замечание говорит нам о постоянном повышении производительности вычислительной техники. Однако ни одна величина в нашем мире не может расти бесконечно долго. Когда этот закон перестанет действовать? И что делать потом?
Кто ты, Гордон Мур?
Закон Мура, разумеется, к звукам кошачьих не имеет ровным счётом никакого отношения. Он назван в честь того, кто первым заметил эту закономерность, — американского инженера, предпринимателя и миллиардера Гордона Мура.
Основатель Intel
Гордон Мур — один из основателей знаменитой компании Intel. В разные времена он был и президентом, и председателем, и CEO этой фирмы, которая занимается разработкой и производством самых разных электронных устройств и компьютерных компонентов. Сегодня в сферу деятельности Intel входят не только микропроцессоры, но и чипы для искусственной памяти и интернета вещей. Считается, что Гордон Мур — один из тех, чья деятельность ускорила приход цифровой эпохи.
Его карьера началась в тот момент, когда в 1957 году он и ещё семеро инженеров ушли из Shockley Semiconductor Laboratory — предприятия, которое первым стало разрабатывать кремниевые проводники — и основали свою компанию. Спустя 11 лет, в 1968 году, Гордон Мур вместе с коллегой Робертом Нойсом ушли и из этой фирмы и основали ныне всемирно известный Intel.
О сегодняшних флагманах компьютерной техники — суперкомпьютерах — читайте в нашей статье «Суперкомпьютеры: гиперскорости вычислений»
Когда появился «Закон Мура»?
Свой закон Гордон Мур сформулировал ещё до появления Intel. Это эмпирическое наблюдение он сделал в 1965 году, через шесть лет после изобретения интегральной схемы. Сейчас интегральные схемы, то есть электронные схемы на полупроводниковой подложке, помещённые в некий корпус, в бытовой речи мы чаще называем чипами. Само наблюдение появилось довольно случайно: Мур готовился к выступлению на конференции, анализировал опыт коллег и конкурентов и внезапно вывел эту закономерность.
Удвоение каждые два года: как действует закон Мура?
Изначальная закономерность, обнаруженная Муром, заключалась в следующем: инженер увидел, что новые модели микросхем появлялись на рынке примерно через год после предыдущих и каждый раз количество транзисторов в них возрастало приблизительно вдвое. Транзисторы — это полупроводниковые элементы, которые управляют электрическим током; они пришли на смену ламповой технике.
В 1975 году Гордон Мур скорректировал своё наблюдение, и закон принял то звучание, которое сейчас знает весь мир: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца».
Старейший и знаменитый журнал «Scientific American» писал в 1983 году по поводу этой закономерности: «Если бы за последние 25 лет авиационная промышленность развивалась столь же стремительно, как вычислительная техника, то Boeing 767 можно было бы приобрести сегодня за 500 долларов и облететь на нём весь земной шар за 20 минут, израсходовав при этом 19 литров горючего. По этой аналогии, хоть и не совсем точной, можно судить о скорости снижения стоимости и энергопотребления, а также о темпах роста быстродействия вычислительных машин».
Если посмотреть на реальные цифры, то мы увидим, что закон Мура действительно работает и по сей день, и при этом действует удивительно точно. Уменьшение размеров транзисторов позволяет им потреблять меньше тока, что снижает энергопотребление. А увеличение количества транзисторов позволяет увеличивать вычислительные мощности. Вот только до бесконечности ли?
Что не так с законом Мура?
О том, что однажды закон Мура потеряет свою силу, говорил и сам Гордон Мур. Он посвятил этой теме свою статью 2003 года под названием «No Exponential Is Forever: But “Forever” Can Be Delayed!», то есть «Никакой экспоненциальный рост не может длиться вечно: но этот момент можно отсрочить!». В ней он признал, что физические величины не могут расти по экспоненте постоянно, и что однажды предел возможного будет достигнут. В 2007 году инженер заявил, что закон его имени скоро перестанет действовать попросту из-за физических ограничений в виде атомарной природы вещества и скорости света.
Долгое время этот закон работал как часы, а развитие техники поражало воображение. Если в 1965 году — тогда, когда Гордон Мур впервые вывел свой закон — в микрочипе было 64 транзистора, то сейчас, спустя примерно семь десятилетий, в некоторых чипах этих транзисторов почти 40 миллиардов! Однако нужно признать, что человечество действительно наткнулось на физические ограничения, связанные с… лазерами. Хотя, казалось бы, причём тут лазеры?
Лазерные мечи и лазерные лучи
Это не вполне очевидно стороннему наблюдателю, но процессоры для вычислительной техники чаще всего производят именно при помощи лазеров. Упрощённо говоря, луч лазера пропускают через трафарет, и процессор выжигается на кремниевой подложке. Чем меньше длина волны лазерного луча, тем с более высоким разрешением можно печатать. Долгое время индустрия поступала так: как только в производстве достигался предел разрешения лазера, то его меняли на лазер с более короткой длиной волны.
От длины волны в 436 нанометров — это, кстати, были ещё не лазеры, а ртутные лампы — индустрия постепенно продвинулась до 50 нанометров. Следующим техпроцессом должна была явиться длина волны в 40–45 нанометров. Но тут все производители вычислительной техники наткнулись на то, что теперь они никак не могут обойти оптические ограничения. Именно тогда сам Гордон Мур и сказал, что действие его закона планомерно подходит к концу.
Однако даже в начале 2010-х годов в ноутбуках — ноутбуках, а не в сверхдорогой и технологичной оборонной вычислительной технике! — уже использовалась литография на 32 нанометра. Человечество хитро на выдумки: в ход пошло и экспонирование через воду, которая меняла преломление луча, и множественное экспонирование, и многие другие способы обмануть природу. Но это была не самая большая проблема.
Паразиты среди нас
Мы все ещё помним времена Covid-19, когда действовал запрет собираться большими группами: в скоплениях людей вирус особенно быстро перепрыгивал с организма на организм. Примерно то же самое стало наблюдаться ещё с начала 2000-х с транзисторами: из-за их уплотнения начались утечки тока, то есть электроны как будто бы «перепрыгивали» с положенного им участка схемы на соседний, а это изрядно портило вычисления. Также из-за этой непреднамеренной миграции электронов увеличивалось паразитное энергопотребление, то есть большая часть энергии расходовалась впустую.
Именно поэтому затормозился рост тактовых частот процессоров в вычислительной технике, хотя ранее он был примерно таким же, как в случае роста количества транзисторов, то есть увеличивался по экспоненте. Тактовая частота — это количество команд, которые процессор выполняет за секунду. И увеличивать далее это количество команд, кажется, невозможно: электроны то и дело прыгают не туда, куда им положено, скорость падает. Так что же, прогресс останавливается?
Микрочипы и будущее
На самом деле, конечно, нет. Сейчас человечество, по сути, осознаёт и пытается разобраться в том, что напридумывало за время быстрого и лёгкого развития вычислительной техники.
Процессор или мозг?
В последние годы развитие техники обеспечивается не законом Мура, то есть простым увеличением числа транзисторов, а инновациями за пределами действия этого закона. Процессоры делают многоядерными. Вычисления переносят за пределы самих процессоров: например, на видеокарты. Оптимизируют действие не только «железа», но и софта, то есть установленных на компьютер или ноутбук программ.
Более того, технологические гиганты усиленно работают над тем, чтобы вообще отказаться от принятой изначально концепции центрального процессора. Сейчас многие, в том числе и тот же Intel, пытаются разработать так называемые «асинхронные нейроморфные процессоры». Под сложной формулировкой скрываются процессоры, которые должны работать по образу и подобию человеческого мозга.
Конец прекрасной эпохи кремния
Скорее всего, мир, каким мы его знали, подходит к концу — кремниевые чипы дальше уменьшать не получится. Минимальный размер кремниевого транзистора известен: это 5 нанометров. И речь здесь не о том, что мы не можем изготовить транзистор поменьше. Речь о том, что меньший транзистор будет бесполезен. Электроны в этот момент станут разгуливать через каналы транзисторов уже совершенно свободно, не обращая внимания ни на какие преграды. А значит, такой транзистор всегда будет занят, и магию вычислений производить не будет.
Об одном из вариантов развития вычислительной техники читайте в нашей статье «Вы готовы к революции квантовых компьютеров?»
Германий, молибден и графен
Возможно, следующее поколение транзисторов будут производить из другого материала — германия. Он обладает в три раза большей электропроводностью, чем кремний. Однако у него меньше термостабильность и хуже теплопроводность, да и встречается он гораздо реже кремния. Для изживания этих пороков германия не так давно придумали сплав — германан. Это тонкая однослойная атомная плёнка, которая проводит ток в десять раз лучше кремния.
Кроме германия учёные сейчас исследуют и другие элементы на предмет их годности к полупроводниковой службе: например, молибден, который даёт соединение под названием молибденит. Его вообще можно довести до толщины в 0,65 нанометра при полном сохранении полупроводниковых свойств. И что самое удивительное, будущие чипы, возможно, будут создаваться из известного старого, доброго, привычного углерода — точнее, из прогремевшей на весь мир его модификации под названием графен.
Листы графена сворачиваются в трубки, и получаются так называемые углеродные нанотрубки. Это соединение имеет толщину всего лишь в один атом — это раз. И два — электропроводность этих трубок втрое выше, чем у кремния.
Каким будет будущее? Как скоро мы увидим принципиально новые технические решения и сможем их испытать? Этого никто не знает точно, можно только догадываться. Но мы способны сохранить свое настоящее и прошлое — воспоминания, чувства и переживания по поводу того, что будет завтра и послезавтра. В этом способна помочь надёжная и удобная цифровая капсула времени. Она способна донести до будущих поколений картину сегодняшнего мира, который, возможно, стоит на пороге потрясающих открытий.
Комментариев: 0 обсудить?