Жажда скорости
Закон Мура сделал компьютеры меньше, превратив их из монстров, заполняющих всю комнату, в изящные карманные устройства. Это также сделало их более экономичными: смартфон, вычислительная мощность которого больше, чем было доступно всему миру в 1971 году, может работать на одном заряде батареи день или более. Но самое главное — компьютеры стали быстрее. Но к 2050 году, когда закон Мура станет древней историей, инженерам, если они хотят заставить компьютеры работать еще быстрее, придется использовать другие приемы.
Есть несколько простых путей. Во-первых, оптимизировать программное обеспечение. Бешеный темп закона Мура до сих пор оставлял компаниям совсем мало времени для оптимизации своих продуктов. И тот факт, что клиенты каждые несколько лет будут покупать более быстрые устройства, еще больше ослабил стимул для идеальной отладки программ: самый простой способ ускорить плохо написанный код — просто подождать год или два, пока не появится оборудование, которое выполнит его быстрее. По мере того как закон Мура перестает работать, слишком короткие циклы жизни продуктов компьютерной индустрии могут начать увеличиваться, давая программистам больше времени для улучшения качества их работы.
Еще одним способом является разработка узкоспециализированных кристаллов, пусть в ущерб вычислительной универсальности. Современные чипы начинают оснащаться специализированными схемами, предназначенными для ускорения наиболее распространенных задач, таких как распаковка фильмов, выполнение сложных вычислений, необходимых для шифрования, или отрисовки сложной трехмерной графики, используемой в видеоиграх. Поскольку компьютеры стали использоваться во всевозможных других видах продукции, подобные специализированные чипы окажутся весьма полезными. Например, беспилотные автомобили будут все чаще использовать машинное зрение, с помощью которого компьютеры научатся интерпретировать изображения из реального мира, классифицировать объекты и извлекать информацию, что является вычислительно очень сложной задачей, для ее решения применение специализированной схемы будет особенно целесообразно.
Однако чтобы вычислительные мощности продолжали расти так, как мы привыкли, понадобится нечто более радикальное. Одна из идей решения этой проблемы заключается в попытке сохранить закон Мура путем его переноса в третье измерение. Современные чипы, по своей сути, плоские. Но исследователи уже пробуют сделать микросхемы, в которых компоненты уложены друг на друга. Даже если площадь таких чипов перестанет уменьшаться, наращивание слоев позволит дизайнерам продолжать набивать в них больше компонентов, точно так же, как на одной площади фундамента в высотных домах могут поселиться больше людей, чем в малоэтажных.
Первые такие устройства уже выходят на рынок: крупный южнокорейский производитель микроэлектроники Samsung продает накопители, реализованные на многослойных схемах памяти. Перспективы этой технологии весьма многообещающи. В современных компьютерах память смонтирована в нескольких сантиметрах от процессоров. При нынешних скоростях сантиметр — это очень долгий путь, означающий значительные задержки при обработке данных. 3D-чипам удалось устранить эту проблему: слои логики обработки в них расположены между слоями памяти. IBM считает, что 3D-микросхемы могут позволить разработчикам сжать суперкомпьютер, сегодня заполняющий целое здание, до объема коробки для обуви.
Но чтобы заставить его работать, потребуются кардинальные изменения конструкции. Современные чипы уже и так сильно греются, требуя для охлаждения больших радиаторов и вентиляторов. С трехмерной микросхемой будет еще хуже, поскольку доступная для удаления тепла площадь поверхности будет увеличиваться гораздо медленнее генерирующего тепло объема. По той же причине на такую микросхему трудно подавать нужные количества электроэнергии и данных для обработки. Поэтому суперкомпьютер IBM размером с обувную коробку потребует жидкостного охлаждения. В каждом чипе будут проложены микроскопические каналы, что позволит охлаждающей жидкости течь внутри него. Вместе с тем в компании считают, что хладагент может заодно выполнять функцию источника питания. Идея заключается в том, чтобы использовать его в проточной батарее в качестве электролита, в которой последний протекает мимо неподвижных электродов.
