Вчені наблизили кінець ери транзисторів – нова технологія працює у тисячі разів швидше

Сучасні комп'ютери, смартфони, сервери та практично будь-яка цифрова техніка працюють завдяки транзисторам – мікроскопічним перемикачам, які керують потоком електричного струму та кодують двійкові дані у вигляді "1" і "0". Про це пише Gizmodo.

Чи справді транзистори починають упиратися у межі фізики?

Саме ці елементи десятиліттями залишаються фундаментом обчислювальної техніки. Наприклад, базовий процесор Apple M4 містить приблизно 28 мільярдів транзисторів. Проте вчені дедалі частіше говорять про те, що ця технологія наближається до фундаментальних фізичних обмежень.

Сучасний кондиціонер – це більше, ніж просто охолодження. NORDIS створює системи, що підтримують комфортний мікроклімат у будь-яких умовах. Це якість та надійність, якій довіряють у Європі.

Хочете щодня читати оперативні та якісні новини Додайте 24 Канал у вибрані в Google Додати

Нове дослідження, опубліковане в науковому журналі "Science", пропонує потенційно революційний підхід до обчислень – без використання традиційних транзисторів. Команда дослідників з Токійського університету представила так званий "енергонезалежний квантовий перемикач", який використовує квантову властивість електрона замість класичного електричного сигналу.

Чому звичайні транзистори вже не можуть розвиватися безкінечно?

Протягом десятиліть прогрес у комп'ютерній індустрії тримався на одному принципі – транзистори ставали дедалі меншими, швидшими та компактніше розміщувалися на кремнієвих пластинах.

Це дозволяло:

збільшувати обчислювальну потужність;
пришвидшувати обробку інформації;
створювати продуктивніші процесори;
зменшувати фізичні розміри пристроїв.

Але цей шлях має природну межу.

Що швидше перемикається транзистор, то більше тепла він генерує. При надмірному нагріванні ефективність падає, а самі компоненти починають деградувати. Коли розміри елементів стають надто малими, починають проявлятися квантові ефекти, які ускладнюють контроль за потоком струму.

Саме тому пошук альтернатив транзисторам сьогодні вважається одним із головних завдань сучасної комп'ютерної науки.

Як працює новий квантовий перемикач?

Японські вчені запропонували використати квантову характеристику електрона – спін.

Спін можна умовно уявити як напрям внутрішнього квантового "обертання" частинки. Для практичного застосування важливо те, що електрон може перебувати у двох різних спінових станах. Саме вони можуть слугувати аналогом звичних двійкових значень "0" та "1".

Замість того щоб фізично вмикати або вимикати потік струму, новий елемент змінює стан спіну окремого електрона.

Це дозволяє досягти надзвичайної швидкості обробки даних.

Згідно з результатами дослідження, обробка одного біта інформації займає лише 40 пікосекунд.

Для порівняння: 1 пікосекунда – це одна трильйонна частка секунди; сучасним комп'ютерам для аналогічної операції зазвичай потрібен приблизно 1 наносекунда; 1 наносекунда у 1000 разів довша за 1 пікосекунду.

Фактично це означає приріст швидкодії на кілька порядків.

Енергонезалежність і довговічність

Ще однією ключовою перевагою технології є її енергонезалежність.

Після встановлення певного спінового стану електрон зберігає його, доки не відбудеться нова зміна. Це означає, що інформація може залишатися записаною навіть без постійного живлення.

Для сучасних комп'ютерів це могло б означати:

значне зниження енергоспоживання;
майже миттєвий запуск систем;
скорочення витрат на охолодження;
зменшення втрат даних.

Дослідники також протестували довговічність нового перемикача. Він витримав понад 100 мільярдів циклів перемикання без втрати стабільності.

Для порівняння, традиційні напівпровідникові компоненти поступово деградують через теплове навантаження.

Наскільки близька ера комп'ютерів без транзисторів?

Попри багатообіцяльні результати, науковці наголошують: наразі йдеться лише про демонстрацію концепції.

До масового виробництва ще дуже далеко. Необхідно довести, що таку технологію можна масштабувати, інтегрувати у складні процесорні архітектури та виробляти економічно доцільно.

Втім сама поява подібного рішення є важливим сигналом для всієї галузі.

Тривалий час розвиток комп'ютерної техніки будувався на вдосконаленні транзисторів. Але тепер дослідники дедалі активніше шукають радикально нові принципи обчислень.

Якщо технологія Токійського університету пройде шлях від лабораторного експерименту до промислового виробництва, вона може стати одним із перших реальних кандидатів на заміну транзисторам – елементам, що понад пів століття визначали обличчя цифрової ери.