пятница, 25 марта 2011 г.

Что случится, когда компьютеры перестанут уменьшаться?

Перевод статьи: What happens when computers stop shrinking?
Переводчики: Владимир Ступин, Егор Калиничев.
Переведено на сайте коллективных переводов translated.by

19 марта 2011, Мичио Каку (Michio Kaku)

Примерно в 2020, эпоха уменьшающихся интегральных схем подойдёт к концу -- и нам лучше подготовиться к этому

Эта статья является сокращённым изложением из новой книги Мичио Каку, "Физика будущего."

Я отлично помню, как я сидел в офисе Марка Вейсера в Кремниевой Долине почти двадцать лет назад, когда он объяснял мне его видение будущего. Жестикулируя руками, он азартно объяснял мне, что должна была произойти новая революция, которая изменит мир. Вейсер был членом компьютерной элиты, работавшей в исследовательском центре Xerox в Пало Альто (том самом, где были созданы первый персональный компьютер, лазерный принтер и оконная среда с графическим интерфейсом пользователя), но он был бунтарём, протестовавшим против значков, что противоречило общепринятому соглашению, а также он был членом неистовой рок-группы.

В то время (кажется, будто это было в прошлой жизни) персональные компьютеры были новы и только-только начинали проникать в жизнь людей, поскольку они медленно приходили к мысли о покупке огромных, неуклюжих настольных компьютеров для анализа таблиц и простой обработки текстов. Интернет всё ещё был огромной изолированной провинцией учёных вроде меня, записывающих формулы для приятелей-учёных на мистическом языке.

Тогда шли жаркие дебаты о том, что этот настольный ящик может обесчеловечить цивилизацию, сделать её холодной, бесчувственной. Даже политолог Уильям Ф. Бакли принялся защищать текстовые процессоры от интеллектуалов, которые их избегали и отказывались прикасаться к компьютеру, называя его инструментом обывателей.

Это была эпоха споров, для которой Вейсер придумал выражение "вездесущих компьютеров." Заглядывая в далёкое прошлое персонального компьютера, он предсказал, что микросхемы однажды станут настолько дешёвыми и доступными, что они проникнут во всю окружающую обстановку -- в нашу одежду, мебель, стены, в наши тела. И они все будут подключены к Интернет, предоставляя доступ к данным друг друга, делая нашу жизнь более приятной, отражая все наши желания. Куда бы мы ни направились, микросхемы будут незаметно выполнять наши желания. Среда станет живой.

По тем временам, мечты Вейсера были нелепыми, абсурдными. Большинство персональных компьютеров были всё ещё дорогими и не были подключены к Интернет. Идея, что эти миллиарды крохотных микросхем однажды станут так же дёшевы как проточная вода, считалась безумием.

И тогда я спросил его, почему он настолько уверен в этой революции. Он спокойно ответил, что мощность компьютеров растёт экспоненциально, а конца этому пока не видать. В математическом плане. Только это тогда имело значение. (К сожалению, Вейсер не прожил достаточно долго, чтобы увидеть что его революция произошла, он умер от рака в 1999.)

Основополагающим источником пророческой мечты Вейсера было нечто называемое законом Мура, эмпирическое правило, которое двигало компьютерную промышленность в течение пятидесяти, а то и больше, лет. Оно задавало темп современной цивилизации как часовой механизм. Закон Мура просто говорил, что мощность компьютеров удваивается каждые восемнадцать месяцев. В соответствии с ним, каждый Новый год вы получаете новые компьютерные игры как минимум в два раза мощнее (в терминах количества транзисторов), чем в прошлом году. Кроме того, по прошествии лет, эта увеличивающаяся шкала превратилась в колоссальную. Например, когда вы получаете по почте поздравительную открытку, она часто снабжена микросхемой, которая поёт вам поздравительную песню. Удивительно, что эта микросхема обладает большей вычислительной мощностью, чем все Союзные войска в 1945. Гитлер, Черчиль или Рузвельт могли бы убить ради этой микросхемы. Но что мы с ней делаем? После праздника мы выбрасываем открытку вместе с микросхемой. Сегодня ваш мобильный телефон обладает большей вычислительной мощностью, чем всё оборудование NASA, которое позволило им в 1969 высадить двоих астронавтов на луне. Видеоигры, требующие чудовищной вычислительной мощности для моделирования трёхмерных сцен, используют больше вычислительной мощности, чем мэйнфреймы предыдущего десятилетия. Сегодня Sony PlayStation, которая стоит $300, обладает мощностью военного суперкомпьютера 1997, который стоил миллионы долларов.

Итак, прежняя концепция (одна микросхема внутри настольного компьютера или ноутбука, подключенного к компьютеру) была вытеснена новой (сотни микросхем, рассеянных внутри каждой вещи, такой как мебель, техника, картины, стены, автомобили, одежда, всё общается друг с другом и подключено к Интернет).

Если эти микросхемы будут встроены в технику, она чудесным образом преобразится. Если микросхемы встроить в печатные машинки, они становятся текстовыми процессорами. Если вставить их в телефоны, они становятся мобильными телефонами. Если их встроить в камеры, они становятся цифровыми камерами. Автоматы для игры в пинбол становятся видеоиграми. Аудиопроигрыватели становятся iPod'ами. Самолёты становятся смертельными беспилотниками Predator. После каждого революционного преобразования промышленность перерождается. Со временем, практически всё вокруг станет умным. Микросхемы станут настолько дешёвыми, что они станут стоить меньше пластиковой упаковки и смогут заменить штрих-код. Компании, не сделавшие свою продукцию умной могут оказаться выброшенными за борт конкурентами, которые сделают.

Конечно, мы по-прежнему будем окружены мониторами компьютеров, но они примут вид обоев, фоторамок или семейных фотографий, а не компьютеров. Представьте все картины и фотографии, украшающие ваш сегодняшний дом; теперь представьте, что каждая из них стала анимированной, движущейся и подключенной к Интернет. Когда мы выйдем наружу, мы сможем увидеть движущиеся картинки, поскольку они будут стоить так же мало, как и неподвижные.

Предназначение компьютеров -- как и других массовых технологий вроде электричества, бумаги и водопровода -- стать незаметными, так чтобы раствориться в структуре нашей жизни, быть повсюду и постоянно, тихо и незаметно выполняя наши желания.

Сегодня входя в комнату мы не задумываясь начинаем искать выключатель для света, поскольку подразумевается, что в стенах проложена электропроводка. В будущем первой вещью, которую мы будем искать при входе в комнату - это окно в Интернет, потому что мы будем подразумевать, что комната умная. Как однажды сказал писатель-романист Макс Фрищ, "Технология - это привычка упорядочивать мир, который мы не можем прочувствовать."

Нам хочется спросить: до каких пор будет продолжаться эта компьютерная революция? Если закон Мура будет действовать следующие пятьдесят лет, вполне возможно, что компьютеры смогут скоро превзойти вычислительную мощность человеческого мозга. К середине века возникнет новая закономерность. Как однажды сказал Джордж Харрисон, "Всё когда-нибудь проходит". Закон Мура тоже должен закончиться, а с ним и значительный рост вычислительной мощности, который подпитывал рост экономики последние полвека.

Сейчас мы принимаем это как должное, веря что нам от рождения дано право обладать компьютерной продукцией с постоянно растущей мощностью и сложностью. Вот почему мы покупаем новую компьютерную продукцию каждый год, зная что она становится почти вдвое мощнее прошлогодних моделей. Но если закон Мура перестанет действовать -- и каждое новое поколение компьютерной продукции будет обладать почти такой же мощностью и скоростью, что и предыдущее поколение -- зачем беспокоиться о покупке новых компьютеров?

Поскольку микросхемы используются в самой разной продукции, это окажет разрушительное воздействие на всю экономику. Все промышленные мощности остановятся, миллионы могут потерять работу, а экономика может быть дестабилизирована.

Много лет назад, когда мы, физики, указывали на неизбежность краха закона Мура, промышленность обычно лишь иронизировала над нашими предупреждениями, относясь к нам, как к волкам, воющим на луну. Конец закона Мура предрекался неоднократно, но они просто не могли в это поверить.

Но не теперь.

Два года назад, я был ключевым докладчиком на конференции Microsoft в их штаб-квартире в Сиэтле, штат Вашингтон. Три сотни ведущих инженеров Microsoft присутствовали на этой встрече, ожидая услышать мою речь о будущем компьютеров и телекоммуникаций. Возвышаясь над огромной толпой, я мог видеть лица молодых, полных энтузиазма инженеров, которые создавали программы для настольных компьютеров и ноутбуков. Я резко высказался о законе Мура, и сказал что промышленность должна готовиться к грядущему кризису. Десятилетие назад я мог вызвать громкий смех или сдавленное хихиканье. Но в этот раз я видел только согласные кивки головами.

Коллапс закона Мура будет иметь международное значение, сопряжённое со ставками в миллиарды долларов. Но определённо, как он закончится и что его заменит, зависит от законов физики. Ответ на вопросы физики станет краеугольным камнем экономической структуры капитализма.

Чтобы понять сложившуюся ситуацию, важно понимать, что выдающийся успех компьютерной революции основывается на нескольких физических принципах. Первое, компьютер обладает умопомрачительной скоростью, поскольку электрические сигналы распространяются со скоростью близкой к скорости света, которая является максимальной скоростью во вселенной. За одну секунду луч света может совершить путешествие вокруг земли семь раз или достичь луны. Электроны также легко перемещаются и слабо связаны с атомом (и их можно соскрести при расчёсывании волос, при ходьбе по ковру или при надевании одежды -- это причина, по которой вещи липнут). Сочетание слабой привязанности электронов и их огромной скорости позволяет нам отправлять электрические сигналы в невероятном темпе, что привело к революции электричества в прошлом веке.

Второе, в сущности не существует предела объёма совокупной информации, которую можно поместить на лазерный луч. Световые колебания, поскольку они колеблются гораздо быстрее звуковых колебаний, могут нести значительно больше информации, нежели звук. (Например, представьте длинный кусок натянутой верёвки а затем быстро потрясите один из концов. Чем быстрее вы трясёте один конец, тем больше сигналов вы можете отправить вдоль верёвки. Следовательно, совокупность информации, которую вы втисните в волну растёт с увеличением скорости, с которой вы трясёте верёвку, то есть с увеличением частоты колебаний.) Свет - это волна, колеблющаяся с частотой порядка 10^14 циклов в секунду (это 1 с 14 нулями). Чтобы передать один бит информации (1 или 0), требуется множество циклов. Это означает, что оптоволоконный кабель может нести примерно 10^11 бит информации на одной частоте. И это число можно увеличить, если пустить по одному оптическому волокну несколько сигналов, а затем связать несколько волокон в одном кабеле. Это означает, что увеличив количество каналов в кабеле, а затем увеличив количество кабелей, можно передавать информацию практически с неограниченной скоростью.

Третье и наиболее важное, компьютерная революция проистекала из уменьшения размеров транзисторов. Транзистор - это заслонка, или переключатель, управляющий потоком электричества. Если электрическую схему сравнить с гидравлической, тогда транзистор будет аналогом вентиля, контролирующего поток жидкости. Как простой поворот вентиля может управлять огромным объёмом воды, так и транзистор позволяет небольшому потоку электричества управлять гораздо более объёмным потоком, усиливая его мощность.

В сердце этой революции находится компьютерная микросхема, которая может содержать сотни миллионов транзисторов на кремниевой подложке размером с ноготь вашего пальца. Внутри вашего ноутбука имеется микросхема, транзисторы на которой можно увидеть только через микроскоп. Это исключительно крохотные транзисторы, созданные тем же образом, каким создаются надписи на футболках.

Проектирование надписи для массовой футболки начинается с создания трафарета с очертаниями образца того, что вы хотите создать. Затем трафарет помещается над одеждой и используется окраска спреем. Только там, где были прорези, краска попадёт на одежду. Когда трафарет удалён, получается совершенная копия шаблона на футболке.

Точно так же создается трафарет, содержащий сложные очертания миллионов транзисторов. Он помещается на пластину, содержащую множество слоёв чувствительного к свету кремния. Потом трафарет подвергается облучению ультрафиолетом, который проникает сквозь прорези в трафарете и засвечивает кремниевую пластину.

После этого пластина погружается в кислоту, которая вытравливает очертания схем и создаёт сложный дизайн миллионов транзисторов. Так как пластина состоит из множества проводящих и полупроводниковых слоёв, кислота может вырезать куски различной формы и глубины, позволяя создавать неимоверно сложные схемы.

Причина неуклонного увеличения мощности микросхем по закону Мура состоит в том, что ультрафиолетовое излучение позволяет уменьшать и уменьшать длину волны, делая возможным вытравливание все более мелких транзисторов на кремниевых пластинах. Поскольку ультрафиолетовое излучение имеет длину волны в 10 нанометров (нанометр это одна миллиардная доля метра), самый маленький транзистор, который вы можете вытравить, имеет размер около 30 атомов в ширину.

Но этот процесс не может продолжаться вечно. В какой-то момент станет физически невозможно вытравливать транзисторы, сравнимые с размером атома. Вы даже можете примерно подсчитать, когда закон Мура окончательно перестанет действовать: когда размер транзистора будет равен размеру отдельного атома.

Около 2020 года или чуть позднее, закон Мура окончательно перестанет соответствовать действительности, и Кремниевая Долина может медленно превратиться в Ржавый Пояс*, если не найдёт замену этой технологии. Транзисторы станут так малы, что квантовая механика и ядерная физика будут действовать на них, и электроны будут утекать из проводов. Например, самый тонкий слой внутри вашего компьютера будет около пяти атомов шириной. На этом уровне, согласно законам физики, вступает в свои права квантовая механика. Принцип неопределённости Гейзенберга утверждает, что вы не можете одновременно знать положение и скорость некоторой частицы. Это может звучать нелогично, но на уровне атомов вы просто не можете знать, где находится электрон, так что он никогда не может быть заперт в ультратонком слое или проводе и обязательно утечет наружу, вызывая короткое замыкание. Согласно законам физики, в конечном итоге Эпоха Кремния подойдёт к концу, и мы вступим в Пост-Кремниевую Эру.

*) Ржавый Пояс - северо-восточная и средне-западная часть США, характеризующиеся устаревающей промышленностью, старыми заводами и снижением населения. Центром её являются города по производству стали в Пенсильвании и Огайо. (прим. перев.)

Выдержки из "Физика Будущего", Мичио Каку. (c) 2011 Мичио Каку. Взято с разрешения Doubleday, подразделения Random House, Inc. Все права защищены. Никакая часть из этих выдержек не может быть воспроизведена или напечатана без письменного разрешения издателя.

Мичио Каку - профессор физики в CUNY Graduate Center, со-основатель полевой теории струн и автор нескольких научных работ. Его новая книга - "Физика Будущего."

2 комментария:

Анонимный комментирует...

Каку, видимо, не в курсе, что Интел и компания уже давно вполне успешно борятся с этой проблемой. Конкретно, c кремния в скором времени могут сойти на германий или что-то еще.

Кому интересны факты, вот PDF с расписанными физическими пределами исчислений -- http://arxiv.org/pdf/quant-ph/9908043v3

Как видно, все может развиваться еще пару веков.

morbo комментирует...

Вы внимательно прочитали статью?

Замена кремния на германий ничего не даст. Германиевые транзисторы и сейчас существуют. Они более температуростойкие, но германий дороже кремния, потому как его из песка не достанешь. В СССР даже германиевые микросхемы были.

То, о чём Каку говорит в статье - это пределы сегодняшней электроники. А то, на что дали ссылку вы - это пределы квантовых компьютеров, которых пока не существует. Есть отдельные экспериментальные установки, которые лишь демонстрируют принцип, но до серийной технологии им очень-очень далеко. Тут работы ещё на пару веков.

Делайте выводы.