Технологии Четвертой промышленной революции

Цифровые компьютерные вычисления стали технологией общего назначения, которая служила движущей силой Третьей промышленной революции благодаря экспоненциальному снижению размера и стоимости транзисторов с момента их изобретения в 1947 году. Новые компьютерные технологии сохранят свою важность, поскольку повсеместно распространенные, надежные, эффективные и дешевые цифровые средства – это основа технологий и систем Четвертой промышленной революции, а также ввиду перспектив появления принципиально новых подходов, создающих новые возможности и новые проблемы.

Развитие вычислений базируется на инновациях в области материалов, сборки и конструирования, которые используются для обработки, хранения и взаимодействия с информацией. Вычисления распадаются на несколько областей, таких как централизованные облачные вычисления, квантовые вычисления, обработка данных в нейронных сетях, хранение биологических данных, оптические вычисления и вычисления в сетях. Эти средства требуют разрабатывать новое ПО и новые формы криптографии. Они позволяют ставить и решать задачи в области кибербезопасности, предоставляя поддержку обработке естественного языка и обещая в перспективе огромное повышение эффективности в таких областях, как применение в медицине и моделировании физических и химических процессов. Новые вычислительные технологии, возможно, помогут решить часть самых сложных проблем, которые стоят перед нами. Но без бдительного управления, гарантирующего равный доступ к достижениям и контроль за безопасностью новых технологий, последние могут создавать значительные риски.

Продление демократизирующего влияния закона Мура[7]

Закон Мура носит имя сооснователя компании Intel Гордона Мура (Gordon Moore) и основан на том наблюдении, что с середины 1960-х годов плотность транзисторов на интегральной схеме удваивается с периодом 1,5–2 года. Это означает, что размер компьютеров уменьшается, а быстродействие повышается с экспоненциальной скоростью, при этом стоимость ежегодно снижается примерно на 30 %. Если бы не закон Мура, мы были бы лишены потребительских мобильных вычислений, в которых используются очень маленькие процессоры и средства хранения данных. Также мы бы не знали мобильной телефонии. Как показывают результаты исследований центра Pew Research Center, именно благодаря влиянию мобильной телефонии 43 % людей в мире обладает смартфоном того или иного типа^{69}{70}. Кроме того, исследователям, предпринимателям в области технологий и корпорациям была бы недоступна невиданная скорость современных быстрых компьютеров.

Замечательная тенденция снижения цены и роста производительности должна продолжиться, даже когда закон Мура перестанет действовать. Более чем у четырех миллиардов людей нет доступа к Интернету, но использование технологий обработки цифровой информации, – мощная движущая сила экономического развития^{71}. На протяжении нескольких лет производители микросхем и материаловеды обеспокоены тем, что мы практически достигли физического предела, за которым невозможно дальнейшее уменьшение размеров транзисторов. Повышение скорости и снижение энергопотребления транзисторов (описываемые законом Деннарда) завершились практически десятилетие тому назад. Современные транзисторы меньше вирусов – сейчас самый малый промышленный стандарт составляет 14 нанометров. Производство кристаллов с более мелким шагом (10 нм) начнется^[8] в 2017 году, а в течение следующих пяти лет компания Intel планирует производить кристаллы с шагом 7 нм. Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет 50 тыс. нм.

Пять нанометров, скорее всего, является физическим пределом размера транзистора на кристалле кремния из-за того, что при таком масштабе начинают проявляться эффекты квантового туннелирования электронов, то есть прямого перехода электронов сквозь тонкие материалы, а также другие формы утечки тока, которые могут повреждать кристалл или сильно снижать его эффективность^[9]. Как говорится в Международном плане по развитию полупроводниковой технологии (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS): «Полупроводниковая промышленность приближается к пределу горизонтального развития»^{72}. Одно из решений – вертикальная упаковка транзисторов, но в этом подходе есть свои проблемы, например отвод снижающего производительность тепла, которое образуется в многоуровневом кристалле. Возможно, использование новых материалов позволит устранить это ограничение на размер и сделать транзисторы еще меньше.