Наноэра — новый этап развития процессоров

Будучи одним из наиболее перспективных направлений современного этапа развития науки и техники, нанотехнологии в наибольшей степени видоизменяют и преобразуют представление об окружающем мире.

В отличие от других научно-технических направлений, развивающихся в какой-либо одной конкретной отрасли, нанотехнологии охватывают широкий спектр технических достижений в различных областях науки.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин.

Микропроцессоры сейчас быстро приближаются к технологическим пределам своей производительности. Поэтому в последние годы идет активный поиск новых направлений развития процессорной техники, отличных от доминирующих сегодня технологий. [4. C. 87].

Элементы новых процессоров должны иметь размеры порядка нанометров, и, соответственно, решения для их создания лежат в области нанотехнологий. Следует отметить, что именно в наномасштабах проявляются свойства материалов, позволяющие реализовать новые подходы к созданию процессорных устройств. Один из таких подходов разрабатывает компания Hewlett Packard для создания прототипа процессора, основанного на архитектуре, получившей название «кроссбары».

Кроссбар представляет собой набор параллельных проволок шириной около 50 нм, которые пересекаются другим набором нанопроволок. Между ними находятся прокладки из материала, который под действием приложенного напряжения может изменять свою проводимость. Регулярная структура из пересекающихся нанопроволок делает их изготовление достаточно простым, особенно в сравнении со сложной структурой современных процессоров на основе традиционных технологий. [9. C. 32] В свою очередь, это позволит максимально гибко адаптировать отработанные архитектурные решения к новым материалам.

В настоящее время разработчики компании Hewlett Packard внедряют архитектуру, позволяющую использовать много слоев кроссбаров За счет этого можно в разы увеличить плотность памяти, а также отношение производительность/энергопотребление. Чипы с такой архитектурой получили название «нанохранилища».

По мнению ведущих экспертов Hewlett Packard, нанохранилища должны стать основой будущих компьютеров, в том числе серверов. Стадии коммерческого применения нанохранилища, по мнению представителей компании, достигнут примерно через пять лет.

Однако, уже сегодня можно отметить внедрение нанотехнологий в технологический процесс создания микрочипов. В 2011 году группа исследователей из Бельгийского центра Imecна представили первый в мире пластиковый (или органический) микропроцессор, который способен выполнять около 6 инструкций в секунду.

Восьмибитный чип из 4000 транзисторов по характеристикам напоминает кремниевые микросхемы 70-ых годов, но разница в том, что он сделан на пластиковой подложке, на которую наносят последовательно слой золота, органический диэлектрик, второй слой золота и органический полупроводник из пентацена. Получается пленка толщиной 25 мкм, которую можно приклеить на любую поверхность.

Возможно, такой процессор найдет применение в дешевых гибких дисплеях и в сенсорах, которые будут встраивать в одежду, стройматериалы, еду, лекарства.

По мнению разработчиков, такие процессоры могут быть примерно в десять раз дешевле кремниевых аналогов, если конечно наладить крупномасштабное коммерческое производство. Правда, органические процессоры никогда не смогут вместить сотни миллионов транзисторов, как у кремниевых чипов. Кроме того, на сегодняшний день они не способны преодолеть главную проблему — непредсказуемое поведение таких транзисторов, вызванное отсутствием прочной монокристаллической структуры.

Ученые из Университета Бристоля предлагают производителям компьютерной техники перейти на выпуск совершенно новых устройств — программируемых квантовых процессоров.

Суть квантового процессора сводится к набору элементов, которые под воздействием электродов и волноводов способны принимать взаимозависимые квантовые состояния. В плане производства такие устройства не требуют дополнительных ресурсов, как и большинство современных процессоров они создаются на основе кремния.

С помощью электродов внутри устройства происходят вычислительные операции над квантовыми битами (кубитами). Такой механизм работы с одной стороны делает процессор многоцелевым, а с другой позволяет значительно уменьшить его габариты.

Однако, создатели нового вида процессоров отмечают, что определенная схожесть с обычными процессорами не делает их совместимыми. Другими словами, если в устройстве используется квантовый процессор, то и само устройство должно быть полностью перестроено под требования процессора. [13. C. 101].

С одной стороны такой подход позволяет перейти на новую ступень развития электроники, с другой — такой переход практически невозможен без поддержки мировых гигантов в области производства компьютеров.

В перспективе компания IBM сможет заменить медные внутричиповые проводники соединениями на основе оптических линий связи, и это существенно ускорит работу современных процессоров.

Оптические переключатели различного типа созданы достаточно давно, но именно ученые из IBM смогли миниатюризовать их до требуемых размеров. Это стало возможным с использованием кремниевых нанострун с особыми оптическими свойствами.

Исследователи из IBM создали самый маленький в мире фотонный переключатель. Это устройство может произвести революцию в оптических вычислениях и производстве компактных нанофотонных чипов. [14. C. 24].

Ранние версии подобных квантовых процессоров проектировались под конкретную задачу, поэтому их функциональные возможности были крайне ограничены рамками небольшого подмножества простейших операций для двух кубитов Особенно большое влияние новый нанопереключатель окажет на архитектуру современных многоядерных процессоров — именно этого хотели добиться специалисты IBM. Обмен данными между ядрами процессоров будет приоритетным развитием технологии оптических нанопереключателей.

Работы по созданию квантовых микропроцессоров ведутся уже относительно давно. Преимуществом этой технологии, пока исключительно в теории, является огромная скорость обработки информации, которая должна позволить им в дальнейшем решать задачи, непосильные даже для самых современных суперкомпьютеров.

Таким образом, квантовые компьютеры — это новая техническая революция в мире. Новый квантовый процессор может стать основой для сверхмощной вычислительной техники.