Маленький гигант

Современные технологии позволяют создавать и умещать миллионы транзисторов на одном процессоре, колоссально повышая мощность и скорость компьютера. Сегодня мы являемся свидетелями гонки между разработчиками вычислительных машин за сборку самого крохотного электронного устройства.

Между тем, по мнению некоторых специалистов, близок тот день, когда дальнейшая миниатюризация станет невозможной и компьютерные технологии упрутся в тупик. «Размеры отдельных элементов микросхем уже достигают пределов, за которыми процессор просто не сможет нормально работать, – объяснил «НИ» заведующий лабораторией математического моделирования в физике, профессор МГУ им. Ломоносова Вячеслав Трофимов. – А это примерно 20 нанометров. При дальнейшем уменьшении проводники становятся прозрачными, электроны пробиваются наружу и создают неконтролируемые помехи, наподобие короткого замыкания». Другая проблема – сильный перегрев микроэлементов. Увеличиваясь в количестве, крохотные транзисторы потребляют больше энергии, а следовательно, выделяют больше тепла, что может вывести систему из строя.

Компьютерщики видят два выхода из ситуации: увеличение единиц процессоров в компьютере или разработка процессора, действующего по оптическому принципу. Последний позволит передавать информацию внутри системы с помощью светового импульса, что не только колоссально повысит скорость ее работы, но во много раз сократит энергозатраты.

Исследования по созданию оптического процессора начались еще в 80-е годы, но только в этом тысячелетии конструкторы приблизились к созданию долгожданного устройства. По словам зарубежных разработчиков, большим шагом вперед может стать электрооптический модулятор Маха-Зендера, названный в честь его изобретателей. Он преобразует электрические сигналы в импульсы света и способен перерабатывать 10 Гбит информации в секунду. «Сейчас разные элементы компьютера обмениваются друг с другом информацией с помощью электричества, – объяснил «НИ» ведущий изобретатель IBM Энди Стенфорд-Кларк. – Хотя оно и проходит по металлическим соединениям достаточно быстро, доставка данных с одной части чипа на другой все же требует времени. Пучок света может справиться с этим с гораздо большей скоростью».

Надо сказать, что оптические переключатели уже широко используются на линиях оптоволоконных сетей. С их помощью огромные объемы данных, перемещающиеся по кабелю в виде света, перед тем как попасть в компьютер, переводятся на понятный ему цифровой язык. Главное достоинство новинки – в ее миниатюрных размерах, говорят изобретатели. Поначалу модулятор будет объединять отдельные блоки огромных суперкомпьютеров. Однако усовершенствование устройства, по словам руководителя группы исследователей Уилла Грина, скоро позволит применять его и в многоядерных процессорах обычных ЭВМ. Так, одну схему можно будет напичкать сотнями и тысячами ядер, заменить металлические проводники «световыми» и снабдить их оптическими переключателями. Скорость передачи информации при этом увеличится в сто раз, а количество потребляемой энергии и тепловыделения сократится как минимум в десять. Оснащенный таким процессором ноутбук будет по производительности не уступать современным суперкомпьютерам.

Впрочем, ученые не собираются останавливаться лишь на создании оптического процессора. В ближайшем будущем, сообщают они, может претерпеть значительные изменения и жесткий диск компьютера. «Речь идет о создании оптической трехмерной памяти, – рассказал «НИ» Вячеслав Трофимов. – Такой винчестер будет представлять собой аналогию стопки CD и DVD дисков. Информация будет записываться, перезаписываться и считываться лучом лазера. Это поможет не только расширить емкость жесткого носителя, но и значительно увеличить его быстродействие». Правда, по словам г-на Трофимова, разработки оптического винчестера пока натолкнулись на серьезное препятствие. «Проблема в том, что мы не можем научить устройство многократно записывать и стирать данные, – пояснил «НИ» Вячеслав Трофимов. – Мешает этому эффект «ложной записи». Физические законы таковы, что световая волна расплывается в пространстве. Попытки занести информацию в конкретную точку трехмерного диска приводят к тому, что она попадает и в другие его части. Впрочем, думаю, уже в ближайшие годы наши ученые смогут справиться с этой трудностью».

Приведут ли все эти разработки к созданию компьютера, работающего полностью на световых импульсах, правда, пока под вопросом. «Скорее всего, развитие остановится на создании гибридных вычислительных систем, которые будут сочетать в себе как традиционные электронные схемы, так и оптические элементы, – рассказал «НИ» директор Института радиотехники и электроники РАН, академик Юрий Гуляев. – К тому же у гипотетического оптического компьютера есть достаточно сильные конкуренты. К примеру, нашим ученым принадлежит разработка перспективного направления – одноэлектроники. Приборы, созданные по ее принципу, смогут работать всего на одном электроне. Размеры транзисторов при этом сократятся до 5–7 атомов. Связываться они будут с помощью оптических волокон. Все проблемы, связанные с перегревом или размерами, отпадут. Можно с уверенностью сказать, что они совершат революцию в мире компьютеров».