Спецпроекты

4 главных научных открытия года для отрасли ИКТ: выбор CNews

3068
Интеграция

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.

qsystemoneibm.png
Прототип квантового компьютера IBM Q System One

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 p51 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.

qqqqq600.jpg
Российский усилитель сигнала для квантового компьютера

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.

800pxu.s.departmentofenergyscience30401500316334175965.jpg
Пока эффект сверхпроводимости можно наблюдать при низких температурах и чудовищных давлениях

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.

lensfocus650sm632421.png
Металинза способна сфокусировать свет всех длин волн в одной точке

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.

chipcomparison1.jpg
Размер имеет значение: Wafer Scale Engine и «обычный» процессор

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.


Взгляд месяца

На хайпе часто можно построить только фейк

Сергей Мацоцкий

основатель и член совета директоров IBS

Тема месяца

Обзор: ИТ-тренды CNews 2020

Индексы «ИТ-тренды CNews 2020» и «ИТ-тренды CNews 2020 Реальный сектор».