Уже понятно, что нанокомпьютеры будут развиваться одновременно по нескольким направлениям, реализующим различные способы представления информации - на основе квантовой логики, классической логики, нейрологики, а также некоторые другие, которым в настоящее время трудно дать определение, - генетические, молекулярно-биологические, молекулярно-механические и др.
Технически в настоящее время наиболее развито направление, в основе которого лежит использование электронных нанотранзисторов, в том числе одноэлектронных (SET, single-electron transistor), включая также транзисторы с поляризованными электронами (спинтронные транзисторы). В таких транзисторах уже достигнут квантовомеханический предел передачи классической информации, налагаемый принципом Паули и принципом неопределенности Гейзенберга. Достигнут также и уровень тепловыделения, определяемый принципом Ландауэра при потере бита информации в необратимых вычислениях. Несмотря на то что до реального применения SET в компьютерной технике еще далеко, проработка различных архитектурных вариантов будущих нанокомпьютеров на их основе идет полным ходом. При этом роль физических критериев, определяющих границы реализуемости вычислительных структур, является, несомненно, определяющей.
Объемная плотность транзисторов в разрабатываемых интегральных наносхемах предельно высока. В таких условиях вопросы энергетики перспективного нанокомпьютера оказываются чрезвычайно важными. Существует фундаментальное ограничение плотности упаковки логических элементов, связанное уже не с атомной структурой вещества, а с термодинамикой вычислительного процесса как такового. Его суть выражается принципом Ландауэра, согласно которому потеря одного бита информации ведет к выделению тепловой энергии, равной kBT ln2, где kB - постоянная Больцмана, T - температура процессора. В настоящее время просматриваются различные пути решения проблемы перегрева процессора. Например, - реализация обратимых вычислений. Это возможно при организации вычислительного процесса на основе принципов квантовой информатики.
Ближе к воплощению другой путь, позволяющий ориентироваться на уже существующие принципы организации вычислительного процесса. Согласно принципу Ландауэра, при работе в рамках классической логики любое переключение транзистора приводит к выделению тепла, пропорционального температуре транзистора. Если понизить температуру транзистора, можно будет понизить напряжение питания и, следовательно, уменьшить тепловыделение (снижать напряжение питания без снижения температуры процессора нельзя, так как это приведет к сбоям в работе). Как сильно требуется охладить процессор, чтобы добиться существенного выигрыша в тепловыделении? Из основного соотношения Ландауэра видно, что охлаждение процессора даже до температуры жидкого азота (77,4° K) не дает больших преимуществ, так как снижает тепловыделение по сравнению с режимом работы при комнатной температуре всего лишь в четыре раза. То есть если процессор без охлаждения рассеивал, допустим, мощность 60 Вт, то при температуре жидкого азота он будет рассеивать мощность 15 Вт. Охлаждение до температуры жидкого гелия (4,2° К) понижает температуру вычислительного процесса примерно в сто раз, что дает для рассматриваемого случая мощность рассеяния 600 мВт. Производительность нанокомпьютера, охлаждаемого жидким гелием, можно оценить следующим образом. Теплота испарения жидкого гелия примерно равна 3*103 Дж/л. Таким образом, одного кубического миллиметра жидкого гелия, расходуемого за 1 секунду при температуре 4,2 °K, будет достаточно для отвода ландауэровского тепла от машины с вычислительной производительностью примерно 5*1019 бит/с. Если предположить, что одновременно будет переключаться 100 млн. одноэлектронных транзисторов, то рабочая частота нанокомпьютера может быть выше 100 ГГц, а тепловыделение - лишь 3 мВт. Создание криогенного наночипа - дело вполне реальное, так как в системе замкнутого оборота криогенного кулера должно быть всего-навсего несколько кубических миллиметров жидкого гелия.
При широком коммерческом производстве гелиевые кулеры для PC будут размером не более воздушных кулеров для современных процессоров. При этом они должны будут отводить тепловую мощность всего несколько милливатт. Для суперкомпьютерных центров будут строиться гораздо более мощные нанокомпьютеры со стационарными криогенными установками. Но и вычислительная мощность у них будет в сотни тысяч раз больше, чем у криогенных PC.
С другой стороны, 3° К - это температура космоса. Почему бы космос с его неограниченными холодильными ресурсами не подключить к решению проблемы роста вычислительных ресурсов на Земле? Суперкомпьютерные центры, расположенные на геостационарных орбитах с дешевым космическим холодом, оснащенные мощными информационными каналами связи с Землей, - новое направление развития IT-бизнеса в будущем.
В принципе, температуру рабочей среды компьютера можно понижать еще на несколько порядков по сравнению с температурой жидкого гелия, однако при этом будут быстро расти и затраты на охлаждение. Ведь холодильный агрегат при работе тоже повышает энтропию. К тому же теплоемкость реальных хладагентов в условиях сверхнизких температур весьма мала.
Известны и другие физические механизмы, используя которые, можно оптимизировать термодинамику классического компьютера. Дело в том, что принцип Ландауэра выводится в предположении, что вычислительная среда характеризуется одной температурой T. Однако в физике известны среды с двумя и более температурами, то есть являющиеся термодинамически неравновесными. Пример - всем хорошо известные газоразрядные лампы дневного света. Атомно-молекулярная подсистема здесь характеризуется комнатной температурой (300° K), а система свободных электронов - температурой в 30–50 раз большей (10000° K). Поэтому в вычислительной среде можно создавать переохлажденную рабочую подсистему с очень низкой температурой, а по завершении вычислительного процесса считывать результат еще до того, как начнут сказываться потери информации в результате возвращения системы к состоянию теплового равновесия. Последовательная реализация такого подхода подводит нас к идее оптимального сочетания квантового и классического компьютинга. Например, можно использовать взаимодействие холодных квантовых пучков легких частиц с массивами более теплых тяжелых частиц.
Такие компьютеры уже существуют. Это - оптические компьютеры. В них низкоэнтропийные пучки света проходят через оптическую систему практически без тепловых потерь. Ландауэровское тепло выделяется лишь в детекторах излучения при считывании результата. В этом и состоит главный "секрет" современного чуда - оптоволоконных систем связи. На данный момент в оптических компьютерах реализуются "самые холодные" вычисления. Что касается электронных компьютеров, то для них тоже можно реализовать вычислительный процесс в термодинамически неравновесных условиях, так как масса электрона во много раз меньше массы атомов. Например, возможно создание вычислительных наноструктур с пучками переохлажденных электронов, распространяющихся в решетке из тяжелых атомов. Транзисторы, в которых электроны пролетают через рабочий канал, практически не испытывая тепловых столкновений с атомами, уже созданы - это баллистические транзисторы. Следующий шаг - создание баллистических транзисторов с холодными электронами.
Каким будет баланс тепловыделения W и вычислительной производительности P, если, наоборот, пойти по энергозатратному пути, увеличивая рабочую температуру T вычислительной среды? Согласно принципу Ландауэра, тепловыделение компьютера, достигшего предельных физических характеристик, пропорционально произведению: W ~ P*T. В то же время для компьютера, находящегося, например, в космосе, единственный способ отвода тепла - тепловое излучение. На самом деле, излучение фотонов в пространство - это и есть реальный физический механизм "сброса" энтропии, образующейся в процессе необратимых вычислений. Согласно закону Стефана-Больцмана, мощность теплового излучения абсолютно черного тела пропорциональна T4. Условие теплового баланса дает P~ T3, - допустимая вычислительная мощность очень быстро растет с ростом температуры вычислительной среды. Вопрос лишь в том, до какой температуры можно разогревать процессор без угрозы его теплового разрушения.
Разработки высокотемпературных полупроводниковых материалов ведутся уже более четверти века. Самый перспективный из них - алмаз, высокотемпературный полупроводник с шириной зоны около 5 эВ. Созданные на его основе транзисторы являются рекордсменами по рабочим температурам. Уже в конце 1980-х были созданы алмазные транзисторы, способные работать при температуре выше 1000 °K на частоте несколько десятков гигагерц. В настоящее время хорошо отработаны технологии получения нанокластеров алмаза. Их получают как россыпью, так и в тонких нанопленках. Следует лишь помнить, что при температуре выше 1700° K начинается процесс превращения алмаза в графит.
Про "это"
Борьба с накладываемыми на вычислительный процесс фундаментальными ограничениями, - дело чрезвычайно сложное и дорогостоящее, доступное лишь высокоразвитым странам в рамках крупных национальных программ, аналогичных строительству гигантских ускорителей элементарных частиц или полетам к другим планетам. Столь же сложными оказываются и проблемы производства компьютеров на основе нанотехнологий. Для целей полупроводниковой литографии используются даже ускорители элементарных частиц в качестве источников коротковолнового излучения. Однако литография, пусть даже в рентгеновском или электронно-лучевом исполнении, оказывается малопроизводительной из-за большого брака уже при разрешении 10-20 нм. Поиски альтернативных способов изготовления нанотранзисторов и сборки из них компьютеров составляют еще одно важное направление современных исследований в области нанотехнологий. Так, с разработкой сканирующего туннельного микроскопа оказалось возможным манипулировать отдельными атомами и молекулами - захватывать их в одном месте и укладывать в строго определенном порядке в другом. Однако производительность таких наноманипуляторов оказалась слишком низкой, чтобы на нее можно было реально рассчитывать при сборке больших интегральных наночипов.