Физика будущего

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 — «0», 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.)