В чем причина такого пессимизма? Да все в тех же названных проблемах. Прежде всего — в росте локальных значений электрического поля, который неизбежно сопровождает миниатюризацию. При комнатной температуре электроны движутся так же, как и под действием напряжения в 0,026 вольт. Эта величина называется «тепловым напряжением ». Поэтому управляющий сигнал должен быть заметно больше, чтобы преодолеть случайные колебания. Для транзисторов на основе кремния характерные величины подаваемых напряжений — от половины вольта до вольта. Даже такое небольшое напряжение, приложенное на очень малых расстояниях, порождает огромные электрические поля (напряженность поля равна напряжению, деленному на расстояние) и может привести к пробою воздуха, что, естественно, нарушит работу прибора. Нынешние транзисторы уже работают на пределе такого пробоя.
Миниатюризация увеличивает тепловыделение на каждый квадратный сантиметр. Причина чисто геометрическая: размеры проводов уменьшаются в одном направлении, а площадь кристалла сверхбольшой интегральной схемы (чипа) — в двух. Современные устройства выделяют до 30 ватт на квадратный сантиметр, это аналогично нагреву вещества до 1200 градусов, в десять раз выше кухонной скороварки. Конечно, подобного перегрева допускать нельзя ни в коем случае, поэтому разработано множество технологий охлаждения, которые, к сожалению, сильно удорожают стоимость чипов.
Следующая сложность связана с промышленным производством транзисторов. Их выжигают на подложках излучением, потом различные химические реакции доводят дело до конца. Но излучение трудно сфокусировать на большой площади, температура подложки может слегка меняться — это приводит к незначительным вариациям свойств разных транзисторов, что недопустимо. Причем с уменьшением размеров все сложности возрастают.
Возрастает стоимость устройств, создающих выжигающее излучение, да и поддержки подложек должны быть все более точными. Контроль качества становится сложной и дорогостоящей процедурой.
Чтобы создавать новые и все более миниатюрные чипы, совершенно необходимо просчитывать конструкцию на компьютере. Раньше движение электронов по проводнику описывалось простыми законами электричества, но теперь провода стали столь миниатюрными, что электроны движутся по ним не устойчивым потоком, а случайными толчками. Их просто невозможно просчитать с требуемой точностью, поэтому резко усложняется и процесс разработки новых чипов.
Как же быть? Что ждет нас впереди?
Размышления о будущем транзистора заставляют нас обратиться к его триумфальному полувековому шествию. Оно не было случайным. По сравнению с предшествующими вакуумными лампами транзисторы были простыми, дешевыми и эффективными. «Потомкам «транзистора придется очень нелегко, поскольку его надо будет превосходить сразу по нескольким совершенно разным параметрам.
Давно уже ведутся поиски «световых «альтернатив транзистору. Свет хорош тем, что фотоны не взаимодействуют друг с другом — нет сильных полей, нет перегрева и прочих сложностей транзистора. Но есть у него и свой минус: взаимодействие сигналов — существенная деталь работы любого электрического контура. Свет все равно придется превращать в электричество, а это — целый комплекс новых проблем. Впрочем, об оптических вариантах транзисторов разговор еще впереди.
Итак, ситуацию трудно назвать оптимистичной: виден конец эпохи полупроводниковых транзисторов и нет им достойной замены. Однако в науке часто бывает так, что тупиковые ситуации приводят к революционным изменениям и триумфальным находкам. Не забывайте, что транзисторы «убыстряются «и уменьшаются, в конечном счете, для того, чтобы наши дети носили в кармане школьного ранца электронную копию всех книг Ленинской библиотеки и могли с помощью карманного калькулятора запросто обыграть Гарри Каспарова.
Игра стоит свеч!
Завтра: свет вместо электронов
С тех пор, как были изобретены первые транзисторы, эти устройства сильно продвинулись в своем развитии. Но аппетиты компьютерщиков ненасытны — им надо все быстрее и быстрее, все больше и больше операций в секунду. Электроны, по мнению современных проектировщиков, слишком медленно бегут по проводам, и компьютерщики за помощью обращаются к свету.
Будущее поколение компьютеров может стать гибридным: кремниевые чипы станут соединяться при помощи лазерных пучков света. На смену металлическим проводам придут линзы, призмы и зеркала. Отсюда и название: оптика свободного пространства. Современные компьютеры передают миллионы байт в секунду. Гибрид позволит продвинуться к терабайтам (это миллион миллионов) и петабайтам (миллион миллиардов).
У компьютера на основе световых «проводов «есть три явных преимущества. Во-первых, ничто не может двигаться быстрее света. Во-вторых, световые фотоны не взаимодействуют друг с другом (в отличие от электронов),и поэтому любое число пучков света может проходить через узкий коридор. И в-третьих, для прохождения света не нужно ничего — только воздух.
По мнению Джулиана Динса из оптоэлектронной группы Эдинбургского университета, внедрение гибридных компьютеров может наступить гораздо быстрее, чем кажется. «Большинство технологических проблем уже преодолено, — отмечает он. — Надо решить лишь чисто инженерные вопросы: как сделать лазеры, линзы и зеркала достаточно маленькими, надежными и недорогими, чтобы из них можно было построить работающий компьютер ».
Сегодня все удовлетворены тем качеством электронных чипов, которые производит, скажем, компания «Интел», но узким местом стало их соединение. Проблема состоит в том, как прикрепить к малюсенькой микросхеме несколько сотен металлических проводов. Оптических же выводов может быть много тысяч, причем выходить они могут со всех сторон микросхемы. Одно это усовершенствование может повысить быстродействие современных вычислительных машин в несколько десятков, а то и сотен раз, и приблизиться к вожделенному «терабайту «в секунду. Подобный рост возможных соединений позволит развивать новые сетевые структуры компьютеров типа нейронных сетей и параллельных процессоров.
Как подмечает Эндрю Кирк из фотонной группы канадского университета Макгилл, компьютерная индустрия словно проснулась и обнаружила наличие методов оптики свободного пространства. На первом этапе свет будет использоваться для связи между электронными чинами, но в перспективе он может забраться и внутрь них самих — когда перемещение электронов станет слишком медленным для возросших скоростей счета.
Проблема большого числа соединений — неотъемлемая черта любого компьютера. Процессоры, элементы памяти, клавиатура, терминал и другие его части постоянно обмениваются информацией. Быстродействие процессоров постоянно растет, увеличиваются и ее потоки. А инженеры знают, что при пересылке нулей и единиц быстрее некоторого предела они просто начинают сливаться друг с другом. Кроме того, увеличение потоков приводит к тому, что провода начинают работать как антенны — излучать электромагнитные волны и влиять на «соседей ». Приходится их тщательно экранировать, а это увеличивает их толщину и стоимость. С другой стороны, стремление подвести к процессору все больше и больше проводов-соединений заставляет делать их все более тонкими. Но чем тоньше провод, тем больше его сопротивление и потери на нагревание.
В общем, нет никаких сомнений, что стремительное развитие компьютеров натолкнется на непреодолимые трудности, если продолжать использовать проводные соединения. Чтобы выйти из тупика, надо обратиться к соединениям оптическим. Идеологически все очень просто: электронные импульсы в компьютерном чипе преобразуются в тонкий пучок света. Есть он — это «1», нет его — «О ». Поток света проходит через сеть крошечных призм и линз и достигает места назначения. А там специальная фотоячейка превратит его вновь в электрический сигнал. Главные требования к оптической системе — потреблять мало энергии, быть дешевой, простой и компактной.
Много всего было перепробовано, в частности, светодиоды всех типов, но оказалось, что лучший кандидат — многоквантовый источник, разновидность электрического затвора, и микроскопический лазер под названием «виксел ». Оба устройства сделаны на основе арсенида галлия, что позволяет производить их, как компьютерные чипы, поточным образом в многослойных структурах.
Многоквантовый источник был придуман специалистами американской лаборатории Белла в штате Нью-Джерси для полностью оптического компьютера. Однако десятилетние исследования показали, что эта идея пока невоплотима, но разработки вполне применимы в гибридном компьютере. Этот источник — «вафля «из полупроводниковых слоев, которая может очень быстро становиться то зеркальной, то мутной под воздействием электрических сигналов. Отраженный свет — это единица, а неотраженный — ноль. Кроме того, в каждой «вафле «есть маленькое окошко-фотоячейка, где падающий свет преобразуется в электрический сигнал.
