78. Будущее за алмазными микрочипами

По мере уменьшения размеров транзисторов производить микросхемы становится все сложнее. Следовать закону Мура уже не так просто, как на заре развития полупроводниковой индустрии. Яркими примерами являются те затруднения, с которыми сталкиваются производители процессоров при освоении очередного поколения литографического техпроцесса. Даже если выпустить процессоры по новой технологии удается без проблем, они нередко получаются маленькими и горячими, что осложняет отвод тепла.

Научное сообщество интенсивно ищет альтернативные пути развития микропроцессоров. Например, как сообщает информационное агентство Reuters, американские ученые предлагают использовать в качестве материала для изготовления микрочипов алмазы. В настоящее время для этих целей применяется кремний, который из-за воздействия высоких температур на микроуровне не сможет бесконечно масштабировать производительность процессоров.

"Бриллиантовые" микропроцессоры будут обладать более высокой механической прочностью и гораздо более высокой точкой плавления, что позволит отодвинуть опасный температурный порог. Естественно, алмаз остается дорогим материалом, но его уже научились синтезировать искусственным способом, и в массовом производстве технология будет несколько дешевле.

Естественно, что первоначально такие микрочипы найдут применение в военной технике и спутниках, так как повышенная надежность и устойчивость к воздействию высоких температур позволит компенсировать высокую себестоимость алмазных процессоров. Первые прототипы бриллиантов с нанесенными на гранях электрическими цепями уже существуют.

До промышленного применения эту идею удастся довести примерно лет через 5-10, если ничего более выгодного не будет предложено. Ученые прорабатывают вопросы использования других производных форм углерода в микропроцессорной технике, так что американцы избрали верное направление.

Нанокомпьютер — вычислительное устройство на основе электронных (механических, биохимических, квантовых) технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер, разрабатываемый на основе нанотехнологий, также имеет микроскопические размеры. Теория нанокомпьютеров до сих пор не имеет под собой логических обоснований.

Молекулярные компьютеры - вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, биологических). Молекулярными компьютерами используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Квантовый компьютер — гипотетическое[1] вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Содержание понятия «квантовый параллелизм» может быть раскрыто так: «Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счет того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно». Под квантовой запутанностью, которую называют также «квантовой суперпозицией», обычно понимается следующее: "Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определенный промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: «распад» и «не распад», /…/ но в квантовой механике у атома может быть некое объединенное состояние — «распада — не распада», то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется «суперпозицией». Базовые характеристики квантовых компьютеров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических компьютеров.

ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Конечный биоавтомат Шапиро — технология многоцелевого ДНК-компьютера, разрабатываемая израильским профессором Эхудом Шапиро (en:Ehud Shapiro) из Вейцмановского института. Его основой являются уже известные свойства биомолекул, таких как ДНК и ферменты. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в математике как «конечный автомат» или машина Тьюринга.

Биокомпьютер Адлемана В 1994 году Леонард Адлеман, профессор университета Южной Калифорнии, продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере» (кратчайший маршрут обхода вершин графа). Классические компьютерные архитектуры требуют множества вычислений с опробованием каждого варианта. Метод ДНК позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций. Затем возможно быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ. Проблемы, возникающие при этом: Требуется чрезвычайно трудоёмкая серия реакций, проводимых под тщательным наблюдением.Существует проблема масштабирования задачи.Биокомпьютер Адлемана отыскивал оптимальный маршрут обхода для 7 вершин графа. Но чем больше вершин графа, тем больше биокомпьютеру требуется ДНК-материала. Было подсчитано, что при масштабировании методики Эдлмана для решения задачи обхода не 7 пунктов, а около 200, вес ДНК для представления всех возможных решений превысит вес нашей планеты.