Физика будущего - Мичио Каку

Движущей силой нынешней революции в мире кремниевых компьютеров является один принципиальный факт: способность УФ-излучения наносить на кремниевую подложку все более и более миниатюрные транзисторы, которые затем вытравливаются. Сегодня в процессоре Pentium на площади размером с ноготь может уместиться несколько сотен миллионов транзисторов. Поскольку длину волны УФ-излучения можно уменьшить до 10 нм, технология травления позволяет получать компоненты всего по 30 атомов в поперечнике. Но процесс миниатюризации не может продолжаться вечно. Рано или поздно он остановится по нескольким причинам.

Во-первых тепло, выделяемое мощными микросхемами, рано или поздно начнет их плавить. Поэтому не годится предложенное кем-то наивное решение — наложить несколько микросхем одна на другую, создав кубический чип. Да, это увеличит мощность процессора, но лишь ценой большего тепловыделения. Кубический чип выделяет так много жара, что на нем можно приготовить яичницу. К тому же кубическая форма затрудняет теплообмен, поскольку из всех параллелепипедов куб имеет минимальную площадь поверхности. Представьте: если увеличить сторону куба вдвое, то его объем (а значит, и выделяемое им тепло) вырастет в восемь раз, а площадь поверхности — только вчетверо. Это значит, что у кубического чипа количество выделяемого тепла с увеличением размеров растет вдвое быстрее, чем возможность охлаждения. Очевидно, кубические чипы — всего лишь частичное, временное решение проблемы.

Кое-кто предлагал использовать для травления микросхем не УФ-излучение, а рентгеновские лучи. В принципе это могло бы сработать, поскольку длина волны у рентгеновского излучения может быть в 100 раз меньше, чем у ультрафиолетового света. Но за все надо платить. При переходе с УФ на рентген энергия луча также увеличивается примерно в 100 раз. Это означает, что травление рентгеновским излучением может попросту погубить подложку, на которой вы пытаетесь что-то изобразить. Попытку применить рентген для литографии можно сравнить с попыткой художника изваять тонкую скульптуру при помощи паяльной лампы. Рентгеновская литография требует строжайшего контроля всех параметров и может служить лишь временным решением.

Во-вторых, существует фундаментальная проблема, проистекающая непосредственно из квантовой теории: принцип неопределенности, который утверждает, что нельзя точно знать одновременно положение и скорость атома или частицы. В сегодняшнем процессоре Pentium толщина слоя составляет около 30 атомов. К 2020 г. она может уменьшиться до пяти атомов; при этом электроны, из-за неопределенности своего положения, начнут просачиваться сквозь слои, вызывая короткое замыкание. Таким образом, для размера кремниевых компьютеров существует квантовое ограничение.

Как я уже упоминал, в своем обращении к 3000 лучших инженеров Microsoft в штаб-квартире компании в Сиэтле я сделал акцент на проблеме прекращения действия закона Мура. Лучшие творцы программного обеспечения признались мне, что в настоящее время компания воспринимает эту проблему очень серьезно, и одно из основных предлагаемых решений — параллельная обработка данных. Простейший способ реализовать такую схему — поставить в параллель несколько процессоров и разбивать каждую задачу на части, а затем, в конце, вновь собирать результат.

Параллельная обработка данных — одна из ключевых особенностей работы нашего мозга. Если снять с работающего мозга магнитно-резонансную томограмму, выяснится, что одновременно включается несколько разных участков. Это означает, что мозг разбивает задачу на маленькие кусочки и решает их одновременно. Именно поэтому нейроны (передающие электрические сигналы с крайне низкой скоростью — около 100 метров в секунду) могут работать лучше суперкомпьютера, в котором сигналы бегают почти со скоростью света. Проигрывая в скорости, человеческий мозг берет тем, что проводит миллиарды крошечных операций одновременно, а затем сводит результаты воедино.

Трудность с параллельной обработкой данных состоит в том, что каждую задачу необходимо предварительно разбить на несколько частей. Затем части обрабатываются разными процессорами, а в конце все это вновь собирается воедино.

Координация разбивки и сборки может оказаться чрезвычайно сложным делом, причем эта процедура сильно зависит от конкретной задачи; универсальный алгоритм найти очень трудно. Человеческий мозг делает это без заметных усилий, но мать-природа располагала миллионами лет для решения этой задачи, а наши программисты работают над ней всего около десяти лет.

Атомные транзисторы

Одна из возможных замен кремниевых чипов — транзисторы, собранные из отдельных атомов. Если кремниевые транзисторы начинают отказывать, поскольку проводники и слои в микросхемах уменьшаются до атомных размеров, то почему бы не начать все заново и не научиться считать на атомах?

В частности, что-то подобное можно реализовать на молекулярных транзисторах. Транзистор — это ключ, позволяющий контролировать ток по проводнику. Вообще говоря, кремниевый транзистор можно заменить одной сложной молекулой или, вернее, двумя механически связанными молекулами, такими, к примеру, как ротаксан и тиофенол. Внешне молекула тиофенола выглядит как длинная гантелевидная трубка с кольцевой «ручкой» посередине. В обычных условиях электричество свободно проходит сквозь трубку, делая ее проводящей. Но если «повернуть ручку», электрический ток будет перекрыт. Таким образом, молекула действует как ключ, контролирующий протекание электрического тока. Если назвать состояние, когда ток проходит через молекулу, «1», а запертое состояние — «О», то получится, что при помощи всего одной составной молекулы можно передавать цифровые сообщения.

Молекулярные транзисторы уже существуют. Несколько крупных корпораций объявило о создании транзисторов на базе отдельных молекул. Однако о коммерческом использовании говорить пока рано; прежде необходимо научиться корректно включать эти устройства в электрическую цепь, а также разработать технологию их массового производства.

Перспективный кандидат на роль молекулярного транзистора имеется в классе веществ, получивших название графенов, которые впервые выделили из графита в 2004 г. Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета, удостоенные за свою работу Нобелевской премии. Графен напоминает одиночный слой графита. В отличие от углеродных нанотрубок, которые представляют собой графитовое полотно, скрученное в длинную тонкую трубку, графен — плоское углеродное полотно толщиной всего в один атом. Подобно углеродным нанотрубкам, графен — новое состояние вещества, и сейчас ученые разбираются в его удивительных свойствах, включая и электрическую проводимость. «С точки зрения физики графен — просто золотая жила. Его можно изучать бесконечно», — замечает Новоселов. (Кроме того, графен — самый прочный материал, с которым до сих пор сталкивалась наука. Если поместить слона на карандаш и поставить карандаш на графеновое полотно, оно не порвется.)

Группе Новоселова удалось при помощи стандартной технологии, используемой в производстве компьютеров, вырезать самые маленькие, наверное, известные на сегодняшний день транзисторы. При помощи узкого пучка электронов можно вырезать в графене каналы, создавая таким образом транзисторы толщиной в один атом и десять атомов в поперечнике. (В настоящее время самые маленькие молекулярные транзисторы имеют размер около 30 нм. Самые мелкие транзисторы Новоселова получились еще в тридцать раз меньше.)

Эти графеновые транзисторы настолько малы, что представляют собой абсолютный предел для молекулярных транзисторов вообще. Если сделать транзистор еще меньше, в дело вступит принцип неопределенности и начнется утечка электронов. «Меньше этого, пожалуй, уже не получишь», — говорит Новоселов.

На роль молекулярного транзистора есть и другие перспективные кандидаты, но настоящая проблема здесь куда более приземленная: как подключать их в цепь и как собирать из них коммерчески жизнеспособный продукт. Дело в том, что мало создать один молекулярный транзистор. Молекулярными транзисторами очень трудно манипулировать, что само по себе достаточно очевидно, — ведь они могут быть в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Придумать технологию их массового производства — сложнейшая задача, и в настоящее время такой технологии не существует.

К примеру, графен — настолько новый материал, что пока не ясно, как можно получить его в больших количествах. Ученые могут изготовить лишь около 0, 1 мм чистого графена, что, конечно же, слишком мало для коммерческого применения. Остается надеяться лишь на то, что когда-нибудь будет найден процесс самосборки молекулярных транзисторов. В природе иногда встречаются группы молекул, самоорганизовавшиеся, будто по волшебству, в идеальную структуру. До сих пор никому не удалось надежно воспроизвести подобный процесс.