Нанокомпьютеры

Достижения современных информационных технологий и очевидная неизбежность появления в ближайшем будущем принципиально новых разработок порой тесно переплетаются со вчерашней фантастикой.

Просмотр некоторых популярных сайтов, посвященных будущим компьютерным технологиям, показывает, что в Сети уже закладываются основы нанокомпьютерного сленга. Находим, например, что нанокомпьютер - это:

• квантовый или механический компьютер нанометровых размеров с высокой производительностью;
• компьютер, логические элементы которого имеют молекулярные размеры; контроллер наноробота должен быть нанокомпьютером;
• компьютер микроскопических размеров, разрабатываемый на основе нанотехнологий (Techtarget, whatis.techtarget.com/definition).

Некоторые другие термины, а также картины нанокомпьютерной футурологии можно найти на сайте www.nanonewsnet.ru. Разумеется, терминологические проблемы - не главное, чем озабочены сегодня исследователи, творцы нового компьютерного железа. Изменение физических свойств материалов при уменьшении размеров рабочих элементов логических устройств, способы сборки этих устройств и их системной интеграции, возможность детерминированного управления их функционированием, потери информации и термодинамика наноустройств, физические пределы представления и обработки информации в них, - эти и многие другие важнейшие проблемы составляют сегодня список горячих тем научных исследований и разработок, на поддержку которых правительства развитых стран и крупные корпорации выделяют огромные средства.

Наноэлектроника, нанокомпьютеры, нанороботы и молекулярно-механические автоматы не просто переведут информационные технологии на более совершенную элементную базу, но и создадут совершенно новые социальные проблемы, на фоне которых обсуждаемые сегодня клонирование животных или использование стволовых клеток в медицине покажутся не столь ужасными. С переходом на уровень нанотехнологий станет возможным снижение минимально допустимых размеров компьютера до субклеточного уровня. Плотность хранения информации в искусственных системах уже сейчас может превышать плотность информации, кодирующей наследственность человека. Способы представления информации в системах, созданных человеком, почти достигли физических пределов, установленных фундаментальными законами природы.

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.

Термодинамика нанокомпьютера

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.

В настоящее время весьма популярны идеи химического синтеза вычислительных наноструктур, а также их самосборки. Такие технологии привлекательны тем, что позволяют достичь высокой степени параллелизма, автоматического контроля качества и высокой производительности в таких малых пространственных масштабах, где использование технологий макромира невозможно или неэффективно. Ведутся также исследования в области самовоспроизводства наноструктур. Все это должно осуществляться непосредственно под управлением механизмов нанометрового масштаба в среде, содержащей строительные блоки нанометрового и субнанометрового размера. Но возможна ли самосборка хотя бы в принципе?

Окружающая нас действительность наглядно показывает, что в природе самосборка не только возможна, но и успешно осуществляется в виде более сложного процесса - самовоспроизводства. Достаточно вспомнить о механизме репликации молекул ДНК. В 1952 году к теоретическому описанию процесса самовоспроизводства приступил один из величайших кибернетиков ХХ века Дж. фон Нейман (1903-57). Результаты его работы были опубликованы лишь в 1966 году, уже после смерти автора. Нейман показал, что существует некоторая пороговая сложность автомата, начиная с которой самовоспроизводство возможно. Им также была высказана идея, что, начиная с некоторого более высокого уровня сложности такой процесс возможен с нарастанием сложности создаваемых систем. Нейман построил конкретную математическую модель самовоспроизводящейся структуры на основе клеточного автомата. В основе модели Неймана лежало представление о двумерной регулярной среде элементарных ячеек, обладающих конечным числом состояний и определенной функцией переходов. Современные технологии производства наноустройств еще далеки от практической реализации самовоспроизводства в том виде, как его описал Нейман, однако идея синтеза вычислительной среды в виде двумерного массива элементарных транзисторных ячеек начинает сегодня отчетливо прослеживаться в экспериментальных работах, ведущихся в некоторых крупных исследовательских центрах мира (IBM, Bell Labs и др.).

Успеху данного направления во многом способствует стремление нанокластеров некоторых химических элементов к самоорганизации с образованием регулярных структур. Специалисты из Communications Research Laboratory (Япония), ведущие исследования в этом направлении, прямо заявляют, что целью их разработок является создание клеточного автомата - большой матрицы простых идентичных компонентов нанометрового масштаба, или клеток. Клетки сообщаются с помощью сигналов, передаваемых по цепочке от клетки к клетке. Изготовить такую конструкцию в Японии надеются путем химического синтеза. На завершение работы с использованием отдельных молекул в качестве рабочего элемента японские исследователи отпускают себе двадцать лет.
Схемотехника и архитектура

Примеры первых наиболее успешных экспериментов по массовому производству компонентов электронных схем с применением нанотруб, фуллеренов и других "магических" кластеров показали, что основу вычислительной среды будущего нанокомпьютера будет составлять регулярная, для начала - двухмерная, матрица, образованная нанотранзисторами размером 2-10 нм. При этом молекулярно-кластерными методами можно будет создавать наиболее мелкие элементы схем, требующие высокого пространственного разрешения порядка 0,5-1 нм, недоступного для литографии. В первую очередь - это область регулируемого проводящего канала транзистора. Цепи же переноса сигналов между транзисторными ячейками можно будет создавать литографическими методами с шириной проводящей дорожки 5-20 нм. Такой гибридный способ производства транзисторов уже сейчас позволяет исключить из технологической цепочки сложные операции легирования полупроводника. Плотность упаковки электронных компонентов на чипе будет определяться значением 1000-10000 транзисторов на квадратный микрон.

В силу особых сложностей переноса предельно слабых сигналов на большие расстояния, схемотехника нанокомпьютера будет строиться по блочно-модульному принципу. Базовый блок будет представлять собой макроячейку с элементами памяти на несколько бит, программируемой логической матрицей на входе и интерфейсными элементами входа-выхода. Цепи переноса сигнала между макроячейками будут организованы с использованием принципов приборов с зарядовой связью (charge coupled devices, CCD), а также с использованием спинтронных каналов переноса информации в магнитных полупроводниках. Использование механизма кулоновской блокады позволит передавать сигналы предельно малыми пакетами, вплоть до одноэлектронных. Макроячейки можно собирать далее в матрицы и суперматрицы, создавая таким образом универсальные программируемые вычислительные среды типа современных устройств PLD (programmable logic devices) или FPGA (free programmable gate arrays). Использование спинтронной схемотехники позволит создавать на том же чипе быстродействующую энергонезависимую память сверхвысокой плотности, не стираемую при выключении питания.

Несмотря на то что основные рабочие элементы разрабатываемых нанотранзисторов имеют некремниевую основу, уже имеется проработка технологии их изготовления с системной интеграцией на кремниевой подложке. Использование кремния позволяет наиболее эффективно приспособить технологические возможности современной микроэлектроники для нужд нарождающейся наноэлектроники. В частности, базовый кремниевый кристалл может быть использован для создания интерфейсного обрамления наночипа в стандарте TTL. Темп нынешних работ таков, что к тому времени, когда рынок электроники будет наполнен устройствами мезоэлектроники с разрешением 20-30 нм (примерно через десять лет), должны появиться первые экспериментальные образцы универсальных программируемых молекулярно-кластерных и спинтронных чипов с кремниевым интерфейсным TTL-обрамлением. Все это выглядит вполне реальным, так как базисные логические функции типа ИЛИ-НЕ на основе углеродных нанотрубок уже изготовлены и испытаны.

В свою очередь, на их основе можно будет создавать нанопроцессоры, наночипы памяти и полнофункциональные однокристальные нанокомпьютеры. По своему разнообразию мир нанокомпьютеров будет необычайно широк. Нанокомпьютеры минимального размера в несколько микрон смогут содержать сотни тысяч транзисторов. Однокристальные нанокомпьютерные гиганты с размером кристалла порядка дюйма будут содержать уже триллионы транзисторов. Для обеспечения их работы на предельной частоте порядка 1000 ГГц понадобятся специальные меры по снижению ландауэровского тепловыделения.

В заключение следует упомянуть о радиационной опасности, грозящей нанокомпьютерам со стороны обычных материалов, используемых в электронике. Дело в том, что в числе незначительных примесей, всегда присутствующих даже в самых чистых материалах, есть радиоактивные элементы. Особую опасность представляют альфа-активные изотопы тория. Одна альфа-частица с типовой энергией 1 МэВ даже в условиях обычной микроэлектроники при попадании в кристалл способна освободить из связанного состояния миллионы электронов. Для нанокомпьютера это все равно, что атомная бомба для мегаполиса. Сейчас это явление актуально для чипов памяти типа DRAM. С ним борются, применяя помехоустойчивое кодирование.

Основное внимание мы уделили современному состоянию и перспективам развития электронных нанокомпьютеров. История развития физических основ таких приборов насчитывает уже много лет, непосредственно продолжая историю микроэлектронных приборов. Поэтому они оказываются лидерами в области нанокомпьютеростроения. Вместе с тем в последние несколько лет получили интересное развитие и другие подходы, в частности, молекулярно-механические.