Какими могут быть технологии будущего?
В течение десятилетий транзистор был фундаментом вычислительной техники. Его работа базируется на управлении напряжением: он либо позволяет току течь (состояние 1), или блокирует его (состояние 0). Однако с увеличением количества транзисторов на кристалле и ростом их скорости возникает критическая проблема избыточного тепла. Каждое переключение генерирует энергию, и чем выше частота работы, тем быстрее устройство нагревается, что в конечном итоге приводит к деградации материалов, пишет Gizmodo.
Научная группа из Токийского университета в сотрудничестве с институтом RIKEN и Осакским университетом опубликовала в журнале Science результаты исследования, которое предлагает выход из этого тупика. Вместо того, чтобы полагаться на поток электрического заряда, ученые использовали квантовое свойство электронов – спин. Спин можно представить как вращение частицы вокруг своей оси, которое может иметь два направления, что идеально подходит для кодирования бинарных данных.
Центральным элементом новой технологии стал топологический антиферромагнетик Mn3Sn. Этот материал уникален тем, что несмотря на почти нулевую общую намагниченность, он демонстрирует сильный аномальный эффект Холла при комнатной температуре, что позволяет легко считывать его магнитное состояние.
Этот механизм позволил достичь значительного снижения тепловыделения и высокой долговечности одновременно,
– прокомментировали в отчете исследователи.
Ключевым преимуществом новой технологии является невероятная скорость. Переключение состояния квантового элемента занимает всего 40 пикосекунд. Для сравнения: современные быстрые центральные и графические процессоры работают в наносекундном диапазоне, что в тысячу раз медленнее нового показателя.
При этом процесс происходит с помощью спин-орбитального момента (SOT), что не требует сильного нагрева материала для изменения состояния.
Это единственный метод, который позволяет достичь пикосекундного переключения, недоступного для традиционных механизмов,
– отмечают авторы.
Энергоэффективность новой разработки также впечатляет. Энергия, необходимая для обработки одного бита информации, составляет примерно 1 фемтоджоуль. Это на порядки меньше, чем в современных полупроводниковых системах. Кроме того, технология является энергонезависимой: данные сохраняются даже после отключения питания, поскольку электроны сохраняют свое спиновое состояние.
Исследователи также продемонстрировали возможность интеграции этой технологии с оптическими системами. Используя лазеры и сверхскоростные фотодетекторы, они смогли генерировать импульсы тока продолжительностью 60 пикосекунд для управления состоянием устройства, говорится в самом тексте исследования, которое перевел 24 Канал. Это открывает путь к созданию так называемой спинтроники с фотоэлектрическим соединением, что может радикально снизить потребление энергии центрами обработки данных.
Проблема "стены памяти", когда скорость обмена данными между процессором и памятью становится бутылочным горлышком для всей системы, также может быть решена с помощью этих устройств. Благодаря высокой устойчивости к износу – элементы выдержали более 100 миллиардов циклов переключения без повреждений – новая технология может стать базой для вычислений непосредственно в памяти.
Дальнейшая оптимизация и реализация пикосекундной работы без внешних магнитных полей позволит применить эти технологии в энергосберегающих системах обработки информации нового поколения,
– подытожил руководитель исследования, профессор Токийского университета Сатору Накацудзи.
К сожалению, пока неизвестно, когда новая технология может выйти на рынок. Как заметил 24 Канал, ученые вообще не говорят об этом в своих объявлениях. Вероятно, пройдут еще годы прежде чем мы увидим что-то подобное, ведь даже сами транзисторы появились в электронике не сразу.
Вам также будет интересно узнать: что мы знаем о транзисторах, которые могут исчезнуть из-за этого открытия
История транзистора началась задолго до его официального изобретения. Еще в 1920-х годах физики предполагали, что полупроводники могут заменить громоздкие вакуумные лампы, которые тогда использовались в радио, телефонии и первых электронных машинах. Проблема заключалась в том, что наука еще недостаточно хорошо понимала поведение электронов внутри полупроводниковых материалов. Лишь после Второй мировой войны исследования резко ускорились, когда в американской лаборатории Bell Labs начали активно искать замену ненадежным и энергозатратным электронным лампам, пишет Encyclopedia Britannica.
В декабре 1947 года физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли создали первый работоспособный транзистор. Это был так называемый point-contact transistor – маленькое полупроводниковое устройство на основе германия, способное усиливать сигнал. Сам термин "transistor" появился чуть позже как сочетание слов "transfer" и "resistor". В 1956 году изобретатели получили Нобелевскую премию по физике.
Транзистор стал настоящим переломным моментом в истории технологий, как проанализировал 24 Канал. До его появления электроника была огромной, дорогой и ненадежной. Например, ранние компьютеры занимали целые комнаты, потребляли колоссальное количество электроэнергии и постоянно перегревались из-за вакуумных ламп. Транзисторы оказались маленькими, дешевыми, долговечными и значительно более эффективными. Уже в 1950-х годах они начали массово вытеснять лампы из радиоприемников, телефонных систем и компьютеров. В 1954 году появилось первое транзисторное радио, а дальше началась стремительная миниатюризация электроники.
Именно транзисторы сделали возможными современные компьютеры, смартфоны, интернет, спутники, цифровые камеры, центры обработки данных и искусственный интеллект. Современный процессор содержит уже не тысячи, а десятки миллиардов транзисторов. Фактически вся цифровая цивилизация работает на принципах, заложенных еще в середине XX века.
Как квантовые технологии могут изменить и улучшить наши технологии?
Квантовые технологии сегодня часто сравнивают с ранней эрой транзисторов. Они тоже базируются на фундаментальной физике, которую очень сложно реализовать на практике, но потенциально могут радикально изменить технологический мир. Главное отличие заключается в том, что классические компьютеры работают с битами – то есть нулями и единицами, тогда как квантовые системы используют кубиты, которые могут находиться в суперпозиции состояний одновременно. Это открывает возможность параллельной обработки огромного количества вариантов, говорится в исследовании на arXiv.
Квантовые технологии могут повлиять на несколько критически важных сфер:
- Прежде всего это квантовые компьютеры. Они особенно перспективны для задач, где классические системы сталкиваются с непреодолимой преградой – моделирование молекул, поиск новых лекарств, оптимизация логистики, финансовые модели, криптография и продвинутое материаловедение. Именно поэтому крупные технологические компании, в частности Google, IBM и Microsoft, активно инвестируют в эту сферу.
- Отдельное направление – квантовая связь. Ее главное преимущество заключается в потенциально чрезвычайно высоком уровне защиты данных. Квантовое шифрование теоретически позволяет выявлять сам факт перехвата информации. Это может изменить банковскую сферу, военную связь и кибербезопасность.
- Еще одна перспективная сфера – квантовые сенсоры. Они могут значительно превзойти современные GPS-системы, радары и медицинские приборы по точности. Квантовые датчики уже тестируют для навигации без спутников, поиска полезных ископаемых и даже обнаружения подземных объектов.
Сколько времени обычно проходит от технологического открытия до его практического применения и почему это может быть очень долго?
Однако между научным прорывом и появлением массового продукта обычно проходит очень много времени. В случае транзистора первые идеи появились еще в 1920-х годах, первое работоспособное устройство создали в 1947 году, а массовое доминирование транзисторов началось только в 1960-х годах. Аналогичная ситуация наблюдается и с квантовыми технологиями.
Причин этого несколько.
- Во-первых, фундаментальное открытие еще не означает наличие готовой инженерной технологии. Ученые могут доказать, что определенный физический эффект существует, но превратить его в стабильный, дешевый и массовый продукт – отдельная задача.
- Во-вторых, нужна огромная инфраструктура: новые материалы, фабрики, производственные процессы, стандарты и программное обеспечение.
- В-третьих, технологии часто остаются слишком дорогими на раннем этапе. Первые компьютеры стоили миллионы долларов и были доступны только государствам и крупным корпорациям. Квантовые компьютеры сейчас находятся примерно в такой же фазе – они требуют сложных систем охлаждения и специальных лабораторных условий.
Также важный фактор – надежность. Многие революционные технологии годами "сырые" и нестабильные. Инженерам нужно научиться делать их достаточно надежными для повседневного использования. Именно поэтому от открытия до массового рынка может проходить 10 – 30 лет, а иногда даже больше, подытоживает 24 Канал. История транзистора хорошо демонстрирует, что важнейшие технологические революции часто начинаются с маленьких лабораторных экспериментов, которые сначала кажутся узкоспециализированными и малопонятными для большинства людей.