Современные достижения вычислительной техники

Новое в компьютерных технологиях

Писатели-фантасты предвидели, что когда-то в мире появится множество уникальных технических приспособлений, способных подарить человеку новые возможности, ощущения, эмоции. Например, Рэй Брэдбери предсказал изобретение «ракушек», которые стали прототипами современных наушников, а Жюль Верн успешно описал не существовавшие в его время телевидение и видеосвязь. Вот только кое-что осталось за пределами прогнозов авторов – это то, что возникает в стремительно развивающихся компьютерных технологиях сегодня.

Провода – в прошлом

Новые компьютерные технологии, которые человечество сможет увидеть уже в ближайшем будущем, больше не будут зависеть от шнуров и кабелей, пусть даже самых тонких и едва заметных. Над достижением подобного результата трудятся сотрудники кембриджского Центра микрофотоники при Массачусетском технологическом институте. В настоящий момент именно провода являются элементами, соединяющими важные звенья и части любых процессоров. Однако ученые предполагают, что им удастся заменить их импульсами германиевых лазеров, которые окажутся способны передавать информацию в битах и байтах в 100 раз быстрее, чем традиционные фидеры с перемещаемыми по ним электронами.

В основе этой новейшей компьютерной технологии лежит применение системы скрытых каналов. Она заключается в следующем: в множестве специальных разъемов устанавливаются микроскопические датчики и сенсоры, которые передают световые импульсы и трансформируют их в точную информацию. Подобное решение поможет человечеству не только получить более высокую скорость передачи данных (чип с германиевым лазером уже показал значение в 1Тб/с, что в 2 раза быстрее проводных устройств), но и внести частичный вклад в стабилизацию экологической ситуации на планете. Эта новая технология в компьютерной технике не будет потреблять и вырабатывать энергию, а, следовательно, позволит снизить уровень выбрасываемого в атмосферу тепла.

Электроника для оптимизации тела

Следующие новые разработки в компьютерных технологиях охватывают целый комплекс приспособлений: это и наушники-вкладыши, фиксирующие частоту сердцебиения, и надеваемые под одежду сенсоры для контроля и корректировки осанки, и тактильные подкладки для обуви, способные с помощью вибрирования и встроенных датчиков GPS указать своему владельцу путь до места назначения. Все эти устройства можно охарактеризовать словосочетанием «носимая электроника» – это «умные» гаджеты, которые за счет последних достижений науки и техники заметно упрощают людям жизнь.

Например, онкологи ведущих клиник уже используют полуочки/полусмартфон Google Glass на базе Android для того, чтобы проводить сложные операции своим пациентам и вести сбор материалов в тех или иных клинических случаях. К помощи этой разработки прибегают и обычные граждане, которые благодаря голосовым командам:

• отправляют сообщения различным адресатам;
• следят за погодными изменениями;
• находят подходящие авиарейсы;
• быстро узнают о правилах оказания первой медицинской помощи в ситуациях, угрожающих жизни и здоровью.

Мемристорная память

Новая технология мемристор, или резисторов памяти, позволит компьютерной сфере стать более емкой, ведь эта разработка обещает перевести все цифровые устройства с флеш-памяти на максимально долговечный и скоростной принцип хранения информации. Исследователи и программисты назвали его ReRAM (Resistive Random Access Memory).

Уникальные чипы будут состоять из чередующихся слоев диоксида титана и платины. Независящие от энергии схемы помогут человеку обрабатывать данные в 1000 раз быстрее, совершать 1000000 перезаписей против возможных сегодня 100000 подобных циклов и обрабатывать сведения практически моментально. Мемристоры способны стать настоящим прорывом среди новых открытий в компьютерных технологиях, ведь внедрение их в переносные устройства, например, плееры, электронные книги и портативные ноутбуки, сделает возможным регулярно иметь с собой уже не гигабайты, а целые терабайты различных материалов! В планах разработчиков из Quantum Science Research, США, также числится создание платы с объемом памяти в 1 петабайт, равным свыше 1000000 гигабайт. Фактический размер такого чипа поражает воображение – благодаря использованию мемристор он окажется не больше 1 см.

Это интересно! Проект развития мемристор, являющийся одним из самых новых в компьютерных технологиях, станет полезным и для дальнейшей разработки самостоятельного искусственного интеллекта. Предполагается, что соединения мемристорной памяти смогут образовывать нечто похожее на синапсы нейронов, а, значит, и генерировать идеи, принимать решения и моделировать другие аспекты работы человеческого мозга.

Улучшение техники и ее свойств

Новые разработки в области компьютерных технологий не существуют опосредованно от остального мира, а, наоборот, служат разрешению острых проблем, важных для продолжения благополучной жизни общества. Так, сегодня экологи вместе с нанотехнологами и инженерами трудятся над созданием эффективных, но не угрожающих природе механизмов, транспортных средств, роботов. Здесь одной из первоочередных задач является искусственное структурирование углеводорода, входящего в состав композитных монолитов. Это поможет сделать производимые автомобили и другие машины, не предназначенные для передвижения, легче на 10%, а, следовательно, и снизить количество токсичных выхлопных газов, которые образуются при сгорании топлива.

Еще одна немаловажная тема – это вопрос длительного хранения энергии. Специалисты считают, что действенным окажется массовый выпуск в свет инновационных батарей – проточных для удержания жидкого химического потенциала веществ, вместительных графеновых конденсаторов для многотысячного заряжения и разряжения аккумуляторов, нанопроволочных литиево-ионных источников постоянного тока для сбережения солнечного излучения.

Грандиозная визуализация

Новые технологии в области компьютеров сделают доступным качественно иное восприятие реальности. Исследователи заверяют: привнесение в мир возможности просмотра телевидения без использования экранов приурочено уже к ближайшему будущему. О чем же идет речь? О создании головной транспортабельной гарнитуры виртуальной действительности (шлемов или очков), специальных смартфонов для слабовидящих и пожилых представителей населения, устройств для приема и отправки видеоголограмм.

То, что раньше можно было увидеть разве что в голливудских кинолентах, сегодня постепенно становится явью благодаря особым проекционным пленкам, панорамному изображению в формате 3D и бинауральному звуку, который записывается в микрофон, точно повторяющий форму человеческих ушей!

Интерфейс «мозг – компьютер»: киборгизация

Наконец, последняя новая технология в мире компьютеров представляет собой соединение главного органа ЦНС человека с высокоскоростной электронно-вычислительной машиной. Сотрудники Гарварда, США, уже добились в этой области значительных результатов – они создали едва ощутимую полимерную сетку с электродами, большая часть которой является свободным пространством. На основание (каркас) в мозгу способны и должны прикрепиться нейроны, что позволит инородной ткани стать одним из элементов организма, но продолжить выполнять заложенные в нее функции.

В 2012 году команда начала проводить эксперименты на мышах и крысах. Это предприятие завершилось успехом. Микроскопические изделия диаметром в несколько сантиметров были внедрены животным при помощи ультратонкой иглы (100 микрометров) прямо через черепа в определенные участки мозга. Позднее выяснилось, что сетки благополучно прижились и продолжили интегрироваться в нейронную среду тем лучше, чем дольше они там находились.

Подобный прорыв может оказаться крайне полезным с практической точки зрения. Нейроинтерефейсы дадут возможность полнее исследовать работу человеческого мозга, при необходимости активизировать те или иные доли, предотвращать и устранять нарушения, возникающие при болезнях Паркинсона, Альцгеймера и других, а также управлять сложными техническими конструкциями одной лишь силой мысли! Однако такая разработка влечет за собой и множество вопросов этического характера. Например, насколько правомерно будет проводить внедрение нейронного «чипа» маленьким детям? Что делать, если влияние на отделы мозга спровоцирует проявление нетипичных реакций? Не потеряет ли человек своей воли и свободы после подобного шага? На эти вопросы нанотехнологам, инженерам и философам будущего еще только предстоит ответить.

Источник

4 главных научных открытия года для отрасли ИКТ: выбор CNews

Мир информационных технологий стремительно развивается, «каждый день что-то новое». Однако немалая часть этих новаций имеет сугубо прикладной характер. По-настоящему фундаментальных новаций, которые скажутся на развитии отрасли, не так много. Большинство надежд на прорыв в области ИТ связаны с квантовыми компьютерами и искусственным интеллектом, но есть и разработки, способные влить новое вино в старые меха «обычного», полупроводникового компьютинга.

1. На пути к «квантовому превосходству»

Квантовые компьютеры — одна из самых «горячих» ИТ-тем последних лет. И в 2019 г. в деле их создания и использования произошли большие подвижки. В начале года IBM представила первые коммерческие квантовые «персональные устройства», ближе к концу Google заявила о том, что ее квантовый компьютер наконец превзошел «обычный».

В январе на международной выставке потребительской электроники CES 2019 корпорация IBM представила Q System One — 20-кубитный квантовый компьютер, который в компании окрестили «первой в мире интегрированной универсальной квантовой вычислительной системой, разработанной для научного и коммерческого применения». В таком заявлении есть доля лукавства — для работы внутри корпуса Q System One требуется поддержание температуры порядка 0,001 К, то есть, практически абсолютного нуля. А в сентябре «Голубой гигант» объявил о предоставлении широкого доступа к своему 53-кубитному компьютеру, расположенному в Центре квантовых вычислений.

Так что можно считать уходящий год годом выхода квантовых компьютеров на коммерческий рынок. И предположить, что наступающий будет богат событиями в этой области.

Немногим позже в широкий доступ, якобы случайно, попала информация о том, что 53-кубитный компьютер Sycamore корпорации Google за 3 минуты 20 секунд создал псевдослучайную последовательность данных с заданным распределением, причем на решение аналогичной задачи классическому суперкомпьютеру Summit от IBM потребовалось бы 10 тыс. лет. Это позволило интернет-гиганту заявить о достижении «квантового превосходства».

По оценке специалистов самой IBM, ее суперкомпьютеру на решение потребовалось бы 2,5 дня, и точность результатов при этом была бы выше. Есть также мнение, что в Google специально подобрали довольно оторванную от жизни задачу, которая относительно проста для квантового компьютера, но требует большого объема вычислений от «классического».

Как бы то ни было, это событие — появление квантового компьютера, способного решать (пусть и несколько странную) задачу быстрее обычного суперкомпьютера, — крайне важно для мира ИТ. Классические процессы изготовления микросхем уже подошли к своему физическому пределу. Сейчас технологическая норма достигла 7 нм, а указанный предел находится где-то в районе 3 нм. Более того, как утверждается, освоение технологий менее 7 нм уже не даст значимого выигрыша в быстродействии.

Создатели традиционных компьютерных систем пытаются обойти законы природы различными способами (о некоторых из них будет сказано ниже), однако радикально картину они не меняют. И надежды на дальнейший прогресс вычислительной техники все чаще возлагаются на квантовые технологии.

В России предлагается выделить p 51 млрд на развитие квантовых вычислений. И кое-какие успехи уже есть: у нас уже появился первый прототип квантового компьютера и заработала самая длинная в мире линия связи с квантовым шифрованием.

2. Сверхпроводимость «добавила» 50 градусов

Компьютерные системы, содержащие сверхпроводящие элементы, не будут терять энергию на обогрев окружающего пространства, соответственно, они будут энергоэффективнее и компактнее. Относительно приемлемых температур ученые уже достигли. Осталось дело за малым — добиться сверхпроводимости при сколько-нибудь нормальном давлении.

Еще один резерв повышения производительности компьютеров, как квантовых, так и классических — сверхпроводимость, которая позволит снизить их энергопотребление и, соответственно, тепловыделение. Поэтому за исследованиями в этой области с большим интересом следят и в мире ИТ.

Очередной прорыв в области сверхпроводимости произошел в мае, когда исследователи международной научной группы, среди которых были и наши соотечественники, обнародовали статью, в которой рассказали о достижении сверхпроводимости декагидридом лантана (LaH₁₀) при температуре –23 ⁰С (250К). Это приблизительно на 50 градусов выше, чем прошлый рекорд.

Сообщения об этом появлялись и ранее, но публикация в Nature в научном мире считается своеобразным знаком качества. Скажем, прошлогодняя статья индийских исследований о получении сверхпроводимости при нормальном давлении, верификацию не прошла, их рекорд научным сообществом принят не был, и интерес к этому достижению понемногу сошел на нет.

–23 ⁰С — это нормальная зимняя температура, по крайней мере в России. Проблема лишь в том, что наблюдался эффект сверхпроводимости при давлении почти в 1,7 млн атмосфер. Так что до применения эффекта сверхпроводимости на практике еще очень далеко. Тем более, что следующий кандидат на звание «самого теплого сверхпроводника», декагидрид иттрия YH₁₀, как предсказывают расчеты, будет «сверхпроводить» при температуре аж 47 ⁰С (320 К), но при давлении в 2,5 млн атмосфер.

Но прогресс есть и, по крайней мере, он точно измерим.

3. Металинзы сделают оптические системы более компактными

Незыблемый, казалось бы, принцип, что качественная оптическая система требует много места и стоит дорого, может быть поставлен под сомнение новыми исследованиями в области нанотехнологий.

Главное препятствие на пути миниатюризации современных устройств — законы физики. Оптические элементы «сопротивляются» ей даже упорнее, чем полупроводники. Для размещения полноценной оптической системы требуется место, которого в современных гаджетах нет. Производители смартфонов, например, улучшают качество фотографий с помощью «искусственного интеллекта» (топового смартфона без упоминания о встроенном ИИ сейчас и не сыскать).

Еще одна проблема состоит в том, что изготавливать крошечные линзы с помощью традиционных технологий обработки стекла довольно трудно и дорого.

В качестве альтернативы уже несколько лет предлагаются металинзы — пластинки микронного размера, покрытые наноразмерными столбиками и отверстиями. Металинзы могут менять свойства падающего света — поляризацию, интенсивность, фазу, направление распространения. Набор металинз может менять характеристики света под конкретные нужды.

Эксперименты с металинзами идут уже несколько лет, лидируют в этих исследованиях ученые Гарвардской школы инженерных и прикладных наук, которые в конце 2017 г. решили проблему хроматической аберрации. Суть последней в том, что когда белый свет проходит через обычную линзу, лучи с разными длинами волн отклоняются по-разному и фокусируются в различных точках. Для исправления этого эффекта приходится создавать сложные комбинации линз. А теперь одна металинза может закрыть вопрос.

В начале этого года ученые из Гарварда разработали поляризационно-нечувствительные металинзы, которые могут фокусировать свет всего видимого спектра без аберраций. А в конце года они же разработали металинзы сантиметрового размера (также для работы во всем видимом спектре), которые могут быть изготовлены с использованием традиционных методов изготовления микросхем. За счет этого металинзы, по крайней мере — при большом объеме производства, могут оказаться дешевле обычных. Их, по крайней мере так полагают сейчас, можно будет производить на том же оборудовании, на котором создают и полупроводниковые элементы. Что позволит собирать все части устройств на одной фабрике. Так что звучащие с 2017 г. обещания «камера сматртфона будет снимать как зеркальная» становится реальностью.

Пока же устройства с микролинзами дороги, поскольку не решены проблемы с встраиванием наноэлементов в полупроводниковые устройства. Кроме того, пока прозрачность металинз ниже, чем у обычных, что также ограничивает их применение.

Тем не менее, металинзы ждут в самых разных сегментах ИТ-рынка, от потребительского (их применение могло бы позволить уменьшить и облегчить гарнитуры виртуальной реальности) до корпоративного — устройств интернета вещей, оптоволоконных линий. И даже в квантовом компьютинге собираются применять алмазные металинзы (в алмазе кубиты существуют даже при комнатной температуре).

4. «Традиционный» компьютинг ищет резервы роста в технологиях полувековой давности

Закону Мура, а с ним и традиционному компьютингу предрекают конец уже не первый год, однако производители процессоров раз за разом находят резервы для роста.

Так, британские компании Search For The Next и Semefab разработали технологический процесс производства полупроводниковых изделий Bizen, основанный на технологиях тех времен, когда бал правили биполярные транзисторы. А также на квантовых туннельных эффектах.

Название технологии получилось из слов «биполярный» и «Зенер» (в честь американского физика Кларенса Зенера, описавшего применение используемого в Bizen туннельного эффекта).

Применимость биполярной технологии была ограничена из-за ее требования к резисторам, которые невозможно уменьшать так, как остальные полупроводниковые устройства. Поскольку в технологии Bizen используется квантовое туннелирование, то резисторы становятся не нужны. Это позволяет создавать более простые схемы с большей плотностью элементов. Вдвое уменьшается количество слоев, снижается потребление энергии, уменьшается размер устройства. А скорость изготовления таких устройств, напротив, растет (по утверждению разработчиков — впятеро). При этом относительная простота производственного процесса поможет, как надеются разработчики технологии, вернуть производство на старые полупроводниковые фабрики.

Другой способ преодолеть «7-нанометровое проклятие» продемонстрировала SkyWater Technology Foundry, показавшая первые микросхемы, один слой которых составляют транзисторы на базе углеродных нанотрубок, другой — энергонезависимая память. Через 2,5 года планируется, что по этой технологии удастся создать чип с 50 млн транзисторов, 4 Гбайтами памяти и 9 млн межсоединений на кв. мм между слоями, которые смогут передавать 50 терабит в секунду, потребляя при этом менее 2 пикоджоулей на бит.

А пока новые технологии прокладывают путь в реальную жизнь, текущие задачи приходится решать наличными средствами. В августе компания Cerebras Systems и ее производственный партнер TSMC представили компьютеры CS-1 с самыми большими в мире процессорами. Размеры чипа, названного Wafer Scale Engine — 215×215 мм. На площади 46 225 кв. мм расположены 1,2 триллиона транзисторов (площадь в 57 раз больше, чем у самого крупного графического процессора, а транзисторов — в 78 раз больше), из которых создано 400 тыс. вычислительных ядер, оптимизированных под задачи, связанные с искусственным интеллектом (именно поэтому WSE сравнивают с графическими процессорами, также популярными в ИИ-индустрии). Объем встроенной оперативной памяти — 18 Гбайт, за передачу данных отвечают 12 100-гигабитных каналов. Все это дает возможность CS-1, занимающему около трети стандартной стойки ЦОД (высота компьютера — 15U) заменять собой гораздо более сложные, дорогие и энергоемкие кластеры на графических процессорах.

Источник