Транзистор — это базовая технология, лежащая в основе, ну, всего современного компьютинга. В цифровых схемах транзистор действует как крошечный переключатель, управляемый напряжением: он может быть включен, пропуская ток, или выключен, блокируя его. Эти два электрических состояния лежат в основе представления двоичных данных — единиц и нулей — и построения логических вентилей, которые заставляют работать процессоры. Современные центральные процессоры (CPU) и графические процессоры (GPU) буквально набиты транзисторами; базовый чип M4 в ноутбуке, на котором я это пишу, содержит около 28 миллиардов таких элементов.
Но не заканчивается ли время господства транзистора? Этот скромный маленький переключатель служил нам чрезвычайно хорошо, но он накладывает предел на наши возможности по обработке данных. Если мы хотим обрабатывать больше данных, нам нужно больше транзисторов. А если мы хотим обрабатывать данные быстрее, нам нужны транзисторы, которые переключаются из включенного состояния во выключенное и обратно быстрее. А если нам нужно и то, и другое, нам необходимо упаковывать все больше и больше транзисторов — при этом делая их меньше и быстрее — на наши кремниевые пластины.
Десятилетиями мы занимались миниатюризацией и ускорением наших транзисторов, но в конечном итоге этот процесс начинает упираться в фундаментальные пределы, налагаемые законами физики. Один из таких пределов — тепловыделение: переключение тока генерирует тепло, и чем быстрее переключаются ваши транзисторы, тем больше тепла вы выделяете. (Есть хорошая статья в формате «Объясни, как пятилетнему» об этом явлении здесь.)
Поиск способа обойти эти ограничения эффективным и практичным образом — это Святой Грааль компьютерных исследований, и новая статья, опубликованная в журнале Science в этом месяце, описывает одну многообещающую новую идею. В статье рассказывается, как команда из Токийского университета применила радикальный подход к проблеме: они полностью обошлись без транзисторов. Вместо этого их «нелетучий квантовый переключающий элемент» использует спин отдельного электрона для представления состояния заданного бита.
(Краткое отступление: спин — это квантово-механическое свойство, аналогичное тому, как макроскопический шар может вращаться вокруг заданной оси — он может вращаться в одном из двух направлений. Однако электроны на самом деле не вращаются, потому что если бы они вращались, их поверхность двигалась бы быстрее скорости света. Пытаться осмыслить квантовый спин сложно, но для целей этого поста главное, что электрон может иметь одно из двух спиновых состояний, и эти состояния можно использовать для кодирования 1 или 0.)
Оказывается, изменение спиновых состояний электронов происходит как быстрее, так и более энергоэффективно, чем включение и выключение транзисторов. Согласно статье, обработка одного бита информации с помощью квантового переключающего элемента занимает 40 пикосекунд. (Пикосекунда — это одна триллионная доля секунды, или $1 \times 10^{-12}$ секунды.) Это безумно короткое время; для сравнения, даже самым быстрым современным компьютерам требуется порядка наносекунды, то есть $1 \times 10^{-9}$ секунды, чтобы сделать то же самое — так что мы говорим об улучшении на несколько порядков величины.)
Есть и другие интересные аспекты этой технологии. Электроны остаются в заданных спиновых состояниях до тех пор, пока что-то их снова не изменит, а это означает, что информация, хранящаяся таким образом, является нелетучей: данные остаются сохраненными без питания. Кажется, что она также чрезвычайно долговечна: в статье описывается, как переключающий элемент оставался стабильным после 100 миллиардов переключений, что опять же на несколько порядков лучше, чем у современных технологий, где тепло вызывает постепенную деградацию и, в конечном итоге, отказ.
Конечно, применимы обычные оговорки о том, что это, по сути, доказательство концепции, и нет никакой гарантии, что кто-либо сможет экономически выгодно производить чипы с использованием этой технологии. Но это указывает на один из путей, которым мы сможем преодолеть ограничения наших нынешних вычислительных технологий.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Tom Hawking
