Komputer przyszłości

Współczesne komputery są oparte na architekturze von Neumanna z lat 40. XX wieku. Zakłada ona układ maszyny obliczeniowej składającej się z urządzeń wejścia-wyjścia, jednostki obliczeniowej i pamięci operacyjnej przechowującej zarówno program, jak i dane. Jej procesor bazuje na tranzystorach, które w latach 70. XX wieku, dzięki pomysłowości inżynierów z Intela, połączono w zintegrowany mikroprocesor, mieszczący na jednym kawałku krzemu wiele tranzystorów. Przez kolejne 40 lat obserwowaliśmy gwałtowny rozwój mikroprocesorów, w których zgodnie z prawem Moore’a (jednego z założycieli Intela), co 24 miesiące podwajano liczbę tranzystorów, stale zwiększając ich wydajność.

Koniec krzemu

Upychanie coraz większej liczby tranzystorów w mikroprocesorze, który zasadniczo nie zwiększał swojej powierzchni, wymagało zmniejszania samych przełączników. Pierwszy procesor Intela 4004 miał kilkaset tranzystorów, a jego najmniejsze elementy – 10 mikrometrów (1x10–6 m). Obecna generacja popularnych mikroprocesorów tego samego producenta, czyli procesory Intel Core oznaczone nazwą kodową Broadwell, mają elementy wielkości 14 nanometrów (1x10–9 m), czyli mniejsze o trzy rzędy wielkości. Pozwoliło to zwiększyć liczbę tranzystorów do 1,5 miliarda! w jednym procesorze. Niestety czas postępu opisanego prawem Moore’a nieuchronnie się kończy. Za granicę technologiczną uznaje się przedział 7–5 nanometrów. Po przekroczeniu tej granicy zaczną się pojawiać efekty kwantowe, czyli zjawiska związane z fizyką cząstek elementarnych, co uniemożliwi poprawne działanie klasycznych procesorów. Jeśli wdrażanie kolejnych generacji procesów litograficznych, czyli technologii wypalania ścieżek w krzemie za pomocą światła laserowego, będzie się odbywało w takim tempie jak obecnie, kres rozwoju mikroprocesorów drogą upychania na nich coraz większej liczby tranzystorów nastąpi w 2020–22 roku.

Nie tędy droga

Teoretycznie można by było zwiększać wydajność pecetów za pomocą dalszego podnoszenia częstotliwości taktowania zegara, co pomnożyłoby liczbę operacji wykonywanych w czasie. Niestety na przeszkodzie stoi problem wydzielania ciepła. Im wyższe taktowanie, tym większej mocy trzeba dostarczyć procesorowi. Spotęgowany przepływ prądu powoduje jednak wydzielanie ciepła, które trzeba odprowadzać.

Biorąc pod uwagę wydajność chłodzenia powietrzem, rozsądna granica częstotliwości taktowania znajduje się nieco poniżej 4 GHz. W praktyce osiągnął ją już procesor Pentium 4 Prescott 3,8 GHz z 2004 roku, który pobierał 120 W. Od tego czasu zegary procesorów stoją w miejscu, podobnie jak maksymalny pobór prądu procesorów desktopowych. Najszybszy obecnie procesor z serii Intel Core Ex- treme Edition pobiera 140 W. Zresztą dalsze zwiększanie taktowania spowodowałoby pojawienie się kolejnych problemów. Po przekroczeniu 5 GHz sygnały mogłyby nie zdążyć pokonać odległości z jednego końca układu do drugiego, co utrudniłoby komunikację między strukturami logicznymi, znajdującymi się na krawędziach mikroprocesora.

Inżynierowie projektujący procesory spróbowali zwiększać ich wydajność, umieszczając w jednym układzie kilka rdzeni obliczeniowych. Obecnie w procesorach do zastosowań desktopowych liczba rdzeni wzrosła do 4. W przypadku serwerowych wersji tych produktów stosowane są mikroprocesory maksymalnie 18-rdzeniowe. Umieszczanie większej liczby rdzeni, jak się okazało, nie przynosi oczekiwanego wzrostu wydajności. Nie wszystkie problemy obliczeniowe da się z powodzeniem wykonywać równolegle. Poza tym obliczenia równoległe wymagają optymalizacji oprogramowania pod kątem liczby rdzeni obliczeniowych. Przepisanie rozwijanych od lat algorytmów jest dużo trudniejsze i bardziej czasochłonne niż zaprojektowanie i wyprodukowanie nowego układu scalonego.

Węgiel zamiast krzemu

Jednym z pomysłów na obejście ograniczeń w gęstości upakowania tranzystorów jest zastosowanie grafenu, czyli dwuwymiarowej struktury – warstwy pojedynczych atomów węgla. Dzięki temu, że doskonale przewodzi prąd, można go użyć zamiast metalu do tworzenia ścieżek przewodzących w układzie scalonym. Procesor zbudowany z grafenowych tranzystorów mógłby dzięki mniejszemu wydzielaniu ciepła pracować z częstotliwością dużo wyższą niż współczesne konstrukcje.

Niestety wciąż nie udało się opracować metody produkowania bardzo czystego grafenu na skalę przemysłową. Udało się natomiast zastosować ścieżki grafenowe w układach scalonych, wyprodukowanych w krzemowej technologii CMOS (takiej jak zwykłe mikroprocesory). Firma IBM pokazała działający grafenowy układ scalony wzmacniający sygnał radiowy. Niestety jest to uklad analogowy, a zastosowana metoda produkcji i osadzania grafenu w krzemie wyklucza komercyjne zastosowania.

Obiecującym materiałem są także węglowe nanorurki, które podobnie jak grafen mogą przewodzić prąd. Grupa inżynierów z Uniwersytetu Stanford zbudowała działający procesor, w którym nanorurki zastępują krzemowe tranzystory w roli bramek logicznych. Układ ma niecałe 200 tranzystorów, a jego możliwości odpowiadają pierwszemu mikroprocesorowi Intel 4004. Można podłączyć do niego klawiaturę i wykonywać proste operacje, jak dodawanie czy sortowanie liczb. Dzięki temu, że tranzystory są z węgla, można będzie zminiaturyzować elementy bardziej, niż pozwala na to proces krzemowy. Poza tym nanorurki węglowe nie wydzielają tyle ciepła co tranzystory krzemowe, dzieki czemu będzie można osiągnąć wyższe częstotliwości przy 10-krotnym zmniejszeniu zużycia energii.

Równolegle do prac nad zastąpieniem krzemu w mikroprocesorach trwają badania, które mogą wywrócić świat komputerów do góry nogami. Zmierzają one do opracowania zupełnie nowej architektury komputera, która nie będzie bazowała na układach logicznych złożonych z tranzystorów, nieważne: krzemowych czy węglowych.