Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Глава 4. НОВЫЕ ПОКОЛЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНИКИ
Бурное развитие современной микро- и наноэлектроники происходит, в основном, за счёт постоянного уменьшения размеров элементов микросхем и увеличения плотности их размещения на кристалле. Это позволяет повышать скорость переработки информации. Однако неуклонное возрастание сложности и быстродействия интегральных схем на основе кремния не может продолжаться до бесконечности. На этом пути встаёт барьер, обусловленный фундаментальными законами физики.
В 1965 г., на заре компьютерной эры, директор отдела исследовательской компании Fairchild Semiconductors Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на одной микросхеме будет ежегодно удваиваться. Прошло почти полвека, но закон Мура по-прежнему актуален и работает.
Со временем практика микроэлектронного производства внесла в него поправку: сегодня считается, что удвоение числа транзисторов происходит каждые 18 месяцев. Такое замедление роста вызвано усложнением архитектуры компьютерной аппаратуры. Однако для кремниевой технологии производства компьютерных микро- и наносхем, закон Мура не может выполняться вечно.
Первое, наиболее очевидное ограничение на закон Мура связано с неконтролируемым ростом стоимости производства все более сложных устройств. За последние 30 лет оборудование для выпуска микросхем подорожало примерно в 1000 раз. Если так пойдет и дальше, то еще через десять лет для выполнения закона Мура придется тратить десятки миллиардов долларов на строительство фабрики по изготовлению микросхем. При этом рост затрат будет превышать рост доходов. Уже сегодня корпорация Intel вкладывает в свои производства миллиарды долларов ежегодно. Ничего не поделаешь: технологический прогресс ограничивается финансовыми реалиями.
Но есть и другое, принципиальное ограничение на закон Мура. Возрастание плотности размещения элементов па микросхеме достигается за счет уменьшения их размеров. Уже сегодня расстояние между элементами процессора может составлять 0,13?10–6 м (так называемая 0,13 – микронная технология). Когда размеры транзисторов и расстояния между ними достигнут нескольких десятков нанометров (1 нм равен 10–9 м), вступят в силу так
называемые размерные эффекты – физические явления, полностью нарушающие работу традиционных кремниевых устройств. С уменьшением толщины диэлектрика в полевых транзисторах растет вероятность прохождения электронов через него, что также препятствует нормальной работе приборов.
Многие специалисты связывают будущее кремниевой электроники с переходом к трёхмерной архитектуре микросхем, позволяющей при тех же размерах элементов разместить гораздо большее их число в одном кристалле кремния (в применяемой сейчас планарной технологии все элементы микросхемы располагаются в одной плоскости на поверхности кристалла). Однако переход на трехмерную технологию не может принципиально решить упомянутую выше проблему размерных эффектов.
Еще один путь повышения производительности – применение вместо кремния и германия других полупроводников, например арсенида галлия (GaAs) и других. За счет более высокой подвижности электронов в этом материале можно увеличить быстродействие устройств еще на порядок. Однако технологии на основе арсенида галлия намного сложнее кремниевых технологий, а, следовательно, их стоимость на порядки выше, что неприемлемо как массового производства, так и для пользователя.
Поэтому, хотя за последние два десятка лет в исследование GaAs вложены немалые средства, интегральные схемы на его основе используются в основном в военной области, где их высокая стоимость компенсируется низким энергопотреблением, высоким быстродействием и радиационной устойчивостью. Однако и для устройств на GaAs остаются в силе ограничения, обусловленные как фундаментальными физическими принципами, так и технологией изготовления.
Можно с определенной уверенностью сказать, что современная технология создания вычислительных систем (компьютеров и др.) изживает себя. Микропроцессоры последних поколений содержат огромное число транзисторов (10 млн. и более). Можно уменьшать физические размеры транзисторов и интегральных схем, применяя нанотехнологии (создание электронных и других элементов с использованием специальной техники для получения наноразмеров), но всему есть предел. Это лишь малая часть огромной проблемы, уже вставшей перед специалистами в сфере компьютерных технологий, проблемы приближения к пределу быстродействия. За последнее время вся числовая, текстовая, графическая, звуковая, видео и другая информация была перенесена на компьютерные носители. Совсем недавно база данных с информацией в 1000 записей быстро справлялась с поиском, однако теперь, когда в базах данных находятся сотни миллионов записей, это стало требовать гораздо большего времени, и новые алгоритмы поиска не намного уменьшат время поиска.
Стало очевидно, что необходимы компьютеры новых поколений с более высокими скоростными характеристиками. Поэтому специалисты всего мира взялись за решение этой проблемы путем создания вычислительной системы будущего.
Существует много вариантов ее решения: ведутся экспериментальные разработки молекулярных, нано-, нейронных, квантовых, оптических, вероятностных, биологических, генетических ДНК-компьютеров, и др. Сегодня специалисты из разных областях науки и техники ищут альтернативные пути дальнейшего развития электроники, уже с приставкой не микро-, а нано. Создание новых вычислительных систем, с большей производительностью и искусственным интеллектом (возможностью самообучения и самовосстановления) очень актуально.