Приближая будущее: какой будет электроника завтрашнего дня. Источник: depositphotos.com

Приближая будущее: какой будет электроника завтрашнего дня

8 февраля 2016 года в России отмечают праздник, приуроченный к дате основания Российской академии наук — День науки. К знаковой дате мы подготовили краткий обзор прорывных отраслей, исследования в области которых призваны сменить существующий уклад.

От электроники — к оптике

Любая технология рано или поздно теряет свою актуальность, и кремниевая электроника — не исключение. Темпы ее развития в последние годы движутся не так бодро, как еще десять лет назад, и все чаще слышны разговоры о том, что закон Мура — эмпирическое наблюдение о том, что количество транзисторов в микросхемах удваивается каждые два года, — почти подошел к своему пределу. Это заметно и на бытовом уровне: процессоры домашних компьютеров перестали наращивать гигагерцы и увеличивают производительность за счет многоядерной архитектуры и параллельных вычислений.

Причина этому кроется в физических ограничениях. Электроны, двигаясь по проводнику, теряют энергию. Этот эффект связан с наличием массы у носителей тока, а по мере увеличения рабочей частоты устройства он только увеличивается. Уменьшение размеров элементов для снижения тепловых потерь тоже имеет ограничения — начинает чувствоваться атомная структура: современный технологический размер 10 нанометров по порядку величины соответствует всего лишь 100 атомам. Другое дело — использовать свет: фотоны являются самой быстрой частицей, обладают нулевой массой покоя и нулевым электрическим зарядом, световые потоки на разных длинах волн не мешают друг другу. Поэтому у манипуляции информационными потоками при помощи оптических технологий много сильных сторон. К примеру, информацию в виде светового луча можно обрабатывать непосредственно во время передачи, причем без существенных энергетических затрат, а за счет работы с волнами разной длины можно добиться высокой степени параллелизации вычислений. Наконец, оптическая система не подвержена воздействию электромагнитных наводок.

Потоки света. Источник: kosmo-apparaty.ru
Потоки света. Источник: kosmo-apparaty.ru

Из-за явных преимуществ оптических вычислений перед электронными эта область стала объектом пристального внимания ученых, но оптические вычислительные схемы пока что остаются гибридными — они сочетают в себе оба технологических подхода. Первый рабочий прототип оптоэлектронного компьютера еще в 1990-м году представила компания Bell Labs, а спустя 13 лет Lenslet анонсировала первый коммерческий оптический процессор EnLight256, способный выполнять до 8*1012 операций над 8-битными целыми в секунду (8 тераоп). Однако, несмотря на то, что первые шаги в нужном направлении уже сделаны, в этой области все еще больше вопросов, чем ответов.

«Для некоторых приложений хорошо, что фотоны не замечают друг друга, но любая логика строится на том, что, допустим, произошло событие А, и в зависимости от того, произошло ли другое событие Б, нужно выдать ответ „да“ или „нет“, то есть 1 или 0. Этот ответ должен зависеть от двух условных пучков света, соответствующих A и Б. При манипуляции токами на таком принципе строится транзисторная логика в обычной электронике, а в фотонике подход пока что не работает — использование нелинейных эффектов, когда, например, с помощью мощного потока излучения изменяются характеристики материалов, тем самым влияя на распространение второго пучка, слишком неэффективно с точки зрения энергопотребления, — объясняет старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и лаборатории спектроскопии твердого тела ФТИ им. А.Ф. Иоффе Михаил Рыбин. — Коммерчески привлекательных устройств на оптической логике пока что нет, но есть определенные наработки, которые позволяют двигаться в ту или иную сторону. Можно сказать, что текущие исследования составляют исходный материал для мозаики, который накапливается и систематизируется, чтобы потом появилась возможность взглянуть на все это в целом и понять, как выложить найденные элементы и собрать целую картину».

Университет ИТМО. Михаил Рыбин
Университет ИТМО. Михаил Рыбин

Cкладыванием таких кусочков мозаики занимаются ученые из разных подразделений Университета ИТМО. Некоторые исследования напрямую связаны с оптическими вычислениями — например, в 2015 году физики из лаборатории нанофотоники и метаматериалов экспериментально продемонстрировали возможность создания сверхбыстрого оптического транзистора всего лишь из одной кремниевой наночастицы. Сюда же можно отнести исследования невидимости, топологически защищенных краевых состояний и другие работы.

Фотоны и кубиты

Другая революция, которую ожидают в области вычислений, касается не просто замены электронов фотонами. Невозможные для современной полупроводниковой электроники задачи призван решить квантовый компьютер — он оперирует не классическими битами информации, которые принимают значения «0» и «1», а кубитами, которые могут находиться в суперпозиции, то есть наложении, этих состояний. За счет использования квантовых эффектов от таких компьютеров ожидается значительный прирост в производительности. Первые ограниченные варианты подобных устройств уже собраны в лабораториях — от однокубитных процессоров до 128-кубитного компьютера D-Wave One, принцип работы и эффективность которого вызвали массу споров среди специалистов по квантовой физике.

Однако и здесь полноценно работающими «первыми ласточками» можно назвать только гибридные схемы, которые используют квантовые эффекты для устройств на основе полупроводниковых технологий, а именно — технологии защиты канала связи с помощью квантовой криптографии. Из-за того, что передача ключа шифрования осуществляется с помощью фотонов, злоумышленник не сможет незаметно вмешаться в передачу и перехватить данные — попытка измерить или скопировать фотон неизменно разрушит его. Благодаря принципам построения систем квантовой криптографии принимающая и передающая стороны просто не станут использовать в передаче бит, который в нем зашифрован (подробнее о работе квантовокриптографических систем читайте здесь). Сегодня квантовые сети представляют собой простейшие соединения точка-точка, максимальное расстояние между которыми составляет около 300 км, и исследователи пытаются создавать гибридные решения — объединять разные каналы связи и схемы шифрования.

Университет ИТМО. Разработки компании «Квантовые коммуникации»
Университет ИТМО. Разработки компании «Квантовые коммуникации»

«На последнем этапе интеграции квантовых технологий должны появиться полноценные квантовые сети, которые не просто позволяют защитить канал квантовым ключом. Будет возможность использовать запросы в базы данных, построенные на квантовых принципах, проводить распределенные квантовые вычисления, в перспективе это означает переход к квантовому интернету», — отмечает представитель Центра научно-технического форсайта Университета ИТМО Кирилл Разгуляев.

Проекты по развитию квантовых технологий в России входят в дорожную карту группы SafeNet Национальной технологической инициативы (НТИ). Для того, чтобы повысить эффективность этой работы, в 2015 году на конференции «Квантовые коммуникации — инфраструктура будущего» участники приняли решение сформировать консорциум, который призван разработать стандарты и протоколы для работы устройств на принципах квантовых коммуникаций и подготовить инфраструктуру для дальнейшего внедрения квантовой информатики. Когда у нас появится первый квантовый компьютер, его будет к чему подключить.

Разум ex machina

Говоря о смене парадигм в области вычислений, нельзя не упомянуть то, что будут считать новые вычислительные сети. Человечество давно грезит созданием рукотворного собрата по разуму, область исследования искусственного интеллекта зародилась в середине прошлого века и изначально воспринималась как достаточно простая и понятная. К примеру, в 1956 году участники Дартмутского семинара в США планировали всего за два месяца «…обучить машины использовать естественные языки, формировать абстракции и концепции, решать задачи, сейчас подвластные только людям».

Человек и машина. Источник: depositphotos.com
Человек и машина. Источник: depositphotos.com

Сегодня эта сфера рассматривается не настолько поверхностно, в мире появляются даже инициативы по ограничению исследований в области ИИ: в начале 2015 года было составлено коллективное письмо с требованием трезво оценивать риски создания «мыслящей» техники, которое подписали физик-теоретик и популяризатор науки с мировым именем Стивен Хокинг, миллионер Илон Маск, писатель-фантаст Вернор Виндж и другие. Подходы к реализации искусственного интеллекта находят применение в различных задачах — от анализа контента и поиска в интернете до создания устройств, которые уже кажутся нам обыденностью (допустим, парковочные системы, которые устанавливают в автомобили, тоже можно назвать в некотором смысле интеллектуальными). Специалисты Университета ИТМО обращаются к аспектам ИИ для нужд робототехники и развития компьютерных технологий, а также для решения менее тривиальных задач — к примеру, в геологии.

Как считает доцент кафедры вычислительной техники Университета ИТМО Игорь Бессмертный, главная сложность для создателей «сильного» искусственного интеллекта заключается в том, что воссоздать разум невозможно без создания карты интеллектуальных навыков, которыми человек пользуется интуитивно. Сформировать такую карту чрезвычайно сложно, поскольку мы можем даже не догадываться, что эти навыки можно и нужно как-то формализовать. Появление полноценного собрата по разуму откладывается еще и потому, что он нам, по большому счету, не нужен.

«Иногда интеллектуальное поведение устройства необходимо — там, где невозможно находиться человеку-оператору, или в тех случаях, когда это упрощает жизнь. Каждое такое устройство выполняет узкий круг задач: есть роботы-сиделки, роботы-повара… Но создавать гомункула, чтобы просто было с кем поговорить, нерационально и затратно, — комментирует Игорь Бессммертный. — Существует масса фактов поведения человека, которые никак не формализованы. Считается, что половину своих знаний человек усваивает за первые три года жизни, и мы иногда даже не догадываемся, что они есть и что их нужно формализовать. Если я выпущу предмет, который держу в руках, он упадет на пол. Людям это очевидно, а машине — нет. По моим подсчетам, человек должен хранить и уметь использовать в среднем 50 миллионов фактов. Для сравнения: компания Cycorp составляет онтологическую базу знаний с 1984 года, и за это время в ней накопилось всего 3 миллиона фактов. Для работы универсальной интеллектуальной системы нужно как минимум на два порядка больше».

Университет ИТМО. Игорь Бессмертный
Университет ИТМО. Игорь Бессмертный

Если же предположить, что произойдет смена парадигм и переход к новым принципам создания электронных устройств, можно ожидать прорыва и в области ИИ. Более мощная техника будет поддерживать более сложные интеллектуальные системы, которые спровоцируют дальнейшую взрывную эволюцию электроники. По оценке профессора кафедры компьютерной фотоники и видеоинформатики Алексея Потапова, технологическая сингулярность — момент, после которого сложность и скорость прогресса станет расти по экспоненте, — может произойти уже к 2030−2050 году.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба