Новые технологии для компьютеров, которые могут войти в быт (4 фото)
Честно говоря, уже существующие компьютеры обладают излишней мощностью для бытовых целей. Поэтому их развитие идет в основном по трем путям: улучшение графики, уменьшение размеров и снижение энергопотребление. Это с одной стороны. С другой стороны бытовым компьютерам катастрофически не хватает памяти и быстродействия, чтобы стать относительно разумным помощником человека. Какой путь развития самый лучший? Какая концепция самая лучшая? Какая технология окажется идеальной? Ну что, преступим к обзору?
Электроника без электричества: в MIT придумали магнитный «транзистор»
Исследователи из Массачусетского технологического института предложили новый подход для организации вычислительных процессов, в которых почти или даже вообще не используется электрический ток (поток электронов). Для этого используются магнитные материалы и их свойства менять намагниченность, а также такие квантовые эффекты, как перенос спинового момента элементарных частиц. Условный магнитный транзистор может переключаться из одного состояния в другое без потребления электричества только на магнитных и спиновых эффектах, что ведёт едва ли не к нулевому выделению тепла.
В своих экспериментах учёные использовали такое явление, как спиновая волна. Это определённое квантовое свойство электронов в магнитных материалах с решётчатой структурой. В таких материалах намагниченность упорядочена, а возникающие нарушения не локализуются, а начинают распространяться в виде волны. Идея как раз заключается в том, чтобы попытаться воздействовать на эти волны намагниченности ― модулировать их и добиться контролируемого переключения из, условно говоря, состояния 0 в состояние 1 и обратно.
До сих пор обеспечить модуляцию спиновых волн можно было с помощью специальной обвязки с использованием электрического тока. Но это сложно и ведёт к росту шумов, что затрудняет измерения. Учёные из MIT предложили управлять спиновой волной с помощью доменных стен ― условных границ между двумя зонами намагниченности. Для этого была разработана наноплёночная структура из двух наноплёнок кобальта и никеля, каждая из которых была толщиной несколько атомов. После этого плёнки зажали с двух сторон магнитными материалами со специальной решётчатой структурой и включили всё это в цепь.
В процессе эксперимента выяснилось, что при прохождении доменной стены спиновая волна меняла фазу на 180 градусов, а её амплитуда уменьшалась. Это оказалось возможным зафиксировать и не требовало никаких затрат энергии на переключение. Более того, положение доменной стены удалось контролировать с помощью той же самой спиновой волны. Для этого достаточно было увеличить интенсивность подаваемых на вход схемы спиновых волн. Чем сильнее была амплитуда колебаний, тем ближе к источнику спиновых волн смещалась доменная стена (невозможная аналогия ― водопроводный кран начинает плыть против течения по мере усиления напора воды). Сочетание таких свойств как управляемая модуляция (переключение между двумя состояниями) и контролируемое положение «вентилей» в материале обещает новую страницу в вычислительной технике, которая граничит с квантовыми вычислителями. Опыты продолжаются.
Транзистор на углеродных нанотрубках впервые преодолел 100-ГГц барьер
На днях молодая компания Carbonics опубликовала в журнале Nature Electronics статью, в которой сообщила о рекордном достижении в области электронных приборов на углеродных нанотрубках. На основе опытной технологии производства транзисторов с использованием нанотрубок впервые удалось продемонстрировать работу прибора на частоте свыше 100 ГГц применительно к сфере радиопередачи. Это открытие обещает привести к бурному развитию радиотехнологий в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне, включая сети 5G.
Следует отметить, что компания Carbonics получила средства на исследования по программе DARPA от военных США и американских ВВС. Первое практическое использование технологии будет отдано на откуп военным США. Это означает, что они получат новые радарные установки и новые средства связи. Добавим, что компания Carbonics в 2014 году была выделена из совместного исследовательского центра Калифорнийского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA-USC) и из совместного проекта UCLA-USC с Городом науки и техники имени короля Абдулазиза Саудовской Аравии (KACST).
Исследователи из Carbonics создали уникальную технологию осаждения ZEBRA, которая позволила преодолеть главное препятствие на пути к электронным приборам на углеродных нанотрубках ― проблему создания плотных и выровненных в одном направлении массивов нанотрубок. Уникальность углеродных нанотрубок в том, что они проводят электроны в одном тончайшем слое, но выровнять все трубки в одном направлении представлялось проблематичным. Компания Carbonics решила эту проблему, хотя до выпуска электронных приборов в масштабе серийного производства всё ещё далеко.
Технология ZEBRA, сообщают разработчики, «это тот переломный момент, после которого нанотрубки становятся серьёзным конкурентом кремнию в практически всех областях микроэлектроники». С помощью данной технологии выровненные массивы углеродных нанотрубок можно создавать на любой поверхности, включая обычные кремниевые пластины, кремний на изоляторе, кварцевое стекло и гибкие материалы. Это означает, что технология интегрируется с традиционной цифровой логикой КМОП и преодолевает все существующие ограничения для гетерогенных интеграционных решений. Осталось придумать, как сделать её пригодной для массового использования и перейти от лабораторных испытаний к заводским.
Российские учёные представили оптический транзистор, работающий при комнатной температуре
Сегодня для работы с оптикой на уровне электронных схем требуются достаточно сложные и сравнительно крупные элементы: полупроводниковые лазеры, фотоэлементы, волноводы и сопутствующие конструкции для управления световыми потоками в составе чипа. Пока всё это используется только для передачи данных (и от этого уже есть эффект в виде снижения потребления интерфейсов), хотя настоящий прорыв произойдёт только тогда, когда получится создать полностью оптический транзистор. К сожалению, в силу своей физической природы фотоны слабо взаимодействуют друг с другом и с материей. Впрочем, при температурах, близких к абсолютному нулю, в полупроводниках возникают явления тип квантовых колодцев, когда фотон может стать «материальным» ― начать взаимодействовать с материалом и, следовательно, становится управляемым. А управляемый фотон ― это не что иное, как следствие работы полностью оптического транзистора.
Как сообщает информагентство РИА, группа учёных из «Сколтеха» совместно с исследователями из цюрихского центра компании IBM создали оптический транзистор, способный работать при комнатной температуре. Информация о разработке представлена на сайте журнала Nature Photonics (к полной статье доступ платный). Повысить рабочую температуру оптического транзистора до окружающей удалось благодаря переходу на такой органический материал (полимер), как полипарафенилен (MeLPPP). Этот материал также как полупроводники характеризуется наличием квантовых колодцев ― чередующихся зон с меньшей шириной запрещённой зоны, окружённых участками с большей шириной запрещённой зоны. Но и это не всё.
Оперировать приходится не чистым фотоном, а квазичастицей, которая возникает в ходе взаимодействия фотона и элементарного возбуждения среды (материала). Такая виртуальная частица называется поляритон. В данном случае учёные научились управлять экситон-поляритоном (exciton-polaritons). Эта квазичастица возникает при взаимодействии фотонов с возбуждением в диэлектрике. Тем самым задача по созданию оптической логики разбивается на две части. Фотоны превращаются в экситон-поляритоны (происходит как бы расщепление светового потока или вычленение квазичастиц), и только потом появляется возможность использовать экситон-поляритоны для переключения и усиления сигнала, что аналогично работе транзистора.
Конструктивно поляритон представляет собой оптический резонатор из двух отражающих волны зеркал вокруг квантового колодца со световой волной внутри. Квантовый колодец в данном случае ― это атом активного материала с вращающимся вокруг него электроном. Эта структура может поглощать фотон и излучать его. Эксперименты с подобным оптическим «транзистором» показали, что структура демонстрирует усиление на уровне 10 дБ мкм-1 и скорость переключения быстрее пикосекунды. Что важно, на основе оптического транзистора учёные создали каскадный усилитель и логические элементы, а не просто доказали работоспособность отдельной транзисторной структуры. Что же, процессоры на оптических транзисторах обретают какие-то контуры. Когда-нибудь они могут стать реальностью.
Р.S.
Я лично бы поставил на оптические технологии. Почему? Да потому, что масса покоя фотона нулевая да и с зарядом (полями) у него тоже все хорошо, и, следовательно, на него не распространяются большинство ограничений (взаимное влияние и прочее). Но, как следует, эта технология наиболее далека от существующих. И поэтому по сути это во многом неизвестное поле. И да, спросите вы, как там с квантовыми компьютерами? Ну как бы дело в том, что они решают весьма узкий спектр задач, пока еще эти технологии требуют охлаждения (не бытовые) и к ним все равно нужен обычный компьютер для расшифровки результатов вычислений. Так что возможно квантовый сопроцессор (как дополнительный а не основной) когда-нибудь и появится в бытовых компьютерах, но это уже совсем другая история...