HighTech 
Новый способ разработки и производства компьютерных чипов может привести к тому, что их производительность увеличится как минимум в 1000 раз по сравнению с ныне существующими.
Метод основан на инновационном материале, который называется углеродные нанотрубки (carbon nanotubes). Эта технология позволит инженерам выстраивать трехмерные чипы.
«Пространственный дизайн даст возможность ученым объединить внутри крошечного пространства огромное число ячеек памяти и вычислительных элементов», - заявил Макс Шулейкер, научный сотрудник Стэндфордского Университета (Калифорния).
«Уменьшение расстояний между элементами значительно сократит время, которое необходимо компьютерам на выполнение их работы», - сказал Шулейкер в своем выступлении на технологическом форуме «Wait, What?», организованном агентством DAPRA, научно-исследовательским подразделением Министерства обороны США.
Прогресс замедляется
Впечатляющее развитие вычислительных мощностей в последние 50 лет наблюдалось благодаря тому факту, что инженерам удавалось создавать всё более миниатюрные транзисторы - троичные элементы, выполняющие в компьютерах логические операции.
Согласно Закону Мура, впервые сформулированному в 1965 году (исследователем в области полупроводников Гордоном Муром), число транзисторов, помещаемых на чип некоторого размера, будет удваиваться приблизительно каждые два года. Это правило оказалось верным, сегодня существуют процессоры с деталями толщиной 5 нанометров. Для сравнения, средний человеческий волос примерно в 100 000 раз толще.
Дальнейшее уменьшение размеров, однако, должно привести к тому, что квантовые эффекты между молекулами материала станут негативно влиять на точность вычислений. Поэтому, вероятнее всего, миниатюризация в соответствии с Законом Мура прекратится в течение ближайших 10 лет. Более того, уменьшение размеров логических элементов уже не ведет к существенному увеличению быстродействия компьютеров.
Долгая дорога в оба конца
«Главная помеха на пути увеличения скорости вычислений не размеры логических элементов, а проблема с памятью», - заявил Шулейкер.
Задача анализа огромных массивов информации требует от компьютера постоянного получения данных из поистине колоссальных по объему хранилищ. Для этого процессор вступает в обмен электрическими сигналами с памятью (обычно с жестким диском) через сравнительно большое (по меркам микроэлектроники) расстояние в один дюйм. Скорость передачи этих информационных сигналов ограничена сопротивлением материала, а его невозможно снизить по физическим причинам.
«Фактически, 96% времени процессор не занят никакими вычислениями, он работает на холостом ходу», - поясняет Шулейкер. «Пока центральный процессор ожидает получения очередной порции данных от винчестера, система продолжает работать, потребляя энергию».
«Решить задачу «времени коммутации» весьма сложно. Два компонента — ЦП и память не могут быть размещены на малом расстоянии друг от друга. Во время работы процессор может раскаляться до температур порядка 1000 градусов, а это представляет угрозу для металлических деталей жесткого диска или твердотелого накопителя», - сказал Шулейкер.
Углеродные нанотрубки
Чтобы обойти эту проблему, Макс Шулейкер и его соавторы их Стэнфорда обратились к недавно изобретенному материалу — углеродным нанотрубкам (Carbon nanotubes, CNT). Это микроскопические сетки, волокна которых состоят из нескольких атомов углерода, получение и дальнейшая обработка этого материала возможна при сверхнизких температурах. CNT-трубки по своим свойствам напоминают обычные кремниевые полупроводники.
Если устроить соревнование двух процессоров: обычного и изготовленного из CNT-трубок, то по всем статьям победит последний. Этот прибор будет работать быстрее и тратить меньше энергии.
«Проблема в том, что нанотрубки растут хаотично, внешне они напоминают спагетти на тарелке, и из них сложно изготовить последовательные цепи», - поясняет Шулейкер. Поэтому ученые разработали метод выращивания нанотрубок на поверхности специальных микроскопических канавок. Трубки получаются ровными и пригодны для создания электронных приборов.
Обнаружилась другая сложность: хотя 99.5% трубок становились прямыми, оставшийся процент вырастал загнутым, они представляли проблему. Решение было найдено, когда ученые догадались сверлить отверстия в специально выбранных участках кристалла, после этой процедуры изогнутые трубки больше не создавали помех.
Следующая проблема состояла в том, что хотя большинство CNT-трубок обладали свойствами обычных полупроводников, некоторые волокна вели себя подобно металлическим проводам с высокой проводимостью. Эту помеху устранили простым способом: образец кристалла подвергали разрядам тока повышенной силы, под воздействием высокого напряжения проводимые трубки нагревались и разрушались.
В 2013 году команда ученых построила первый компьютер на основе нанотрубок. Этот агрегат оказался маломощным и громоздким, в его процессоре работало небольшое число транзисторов. Самый важный этап в работе коллектива сейчас, когда ученые решают задачу укладывания кристаллов из CNT-трубок один поверх другого с целью получения трехмерного процессора, слои которого будут связаны между собой микроскопическими проводками.
Именно новая 3D-архитектура может дать возможность производить молниеносные вычисления, повысив быстродействие компьютеров в 1000 раз. Кроме того, новая технология уже нашла применение в других направлениях техники. Так, были изготовлены специальные сенсорные пластины, которые способны обнаруживать всё, начиная от инфракрасного света и заканчивая определенными химическими элементами в окружающей среде.
Имеются планы дальнейшего увеличения систем нанотрубок, с целью создания ещё более крупных, сложных чипов.