Злоключения электроники

Злоключения электроники
25 Октября 2016
Электроника давно и прочно пришла в нашу жизнь. Мы не можем представить себе ни дня без любимого смартфона, планшета или компьютера. Вместе с развитием электроники становятся понятны и ее ограничения — мы понимаем, что, несмотря на весь ее потенциал, у нее есть фундаментальные ограничения. Впрочем, ученые не были бы учеными, если бы не хотели сделать наш мир лучше, и самые светлые умы планеты уже много лет бьются над тем, чтобы электроника стала работать еще быстрее и эффективнее.

Для этого они ищут в том числе альтернативные способы производить вычисления, то есть использовать для передачи информации не электрический ток, а что-то другое. Стимулом к развитию в данном случае выступает как необходимость делать более сложные вычисления для научных целей, так и чисто потребительский интерес к более быстрым, энергоэффективным и «вместительным» устройствам.

Один из вопросов стоящих на повестке дня это вопрос увеличения быстродействия современных компьютеров,и компъютерных систем.

Возможный, но пока далекий от повседневной жизни пример устройства с невероятно высокой скоростью работы — это суперкомпьютеры. Однако существующие суперкомпьютеры (например, отечественный «Ломоносов») нельзя назвать портативными: часто они занимают несколько комнат.

Эти вычислительные машины используются, например, для расшифровки ДНК или для предсказания погоды, то есть для решения задач, в которых требуется обрабатывать большое количество данных.

Игровой ПКМечта же обычных пользователей — это относительно компактное устройство, работающее со скоростью суперкомпьютера.

Первый, самый простой способ увеличить скорость работы любого прибора — увеличить количество электронных компонентов, например транзисторов, последовательность которых выполняет элементарные операции. Однако это путь экстенсивный: скорость будет расти, но вместе с этим энергопотребление новых телефонов и компьютеров также увеличится. Такое развитие мы и наблюдаем сегодня — достаточно сравнить, например, время жизни без зарядки своего старого телефона и сегодняшнего смартфона. Такой способ развития был описан американским ученым, одним из основателей компании Intel Гордоном Муром в сформулированном им законе. Исследователь заметил, что каждый год появляются новые модели микросхем и количество транзисторов на них увеличивается вдвое.

Так, в середине 1960-х годов он предсказал экспоненциальный рост скорости электронных устройств за короткий промежуток времени. Позже Мур подкорректировал собственный закон, по его мнению, двойное увеличение транзисторов будет происходить каждые два года.

Помимо количественного способа существует и качественный. Для скорости работы устройства важна скорость передачи данных внутри него. Информация передается в виде сигнала с различными значениями напряжения. Некоторые участки этого сигнала соответствуют единице привычного нам двоичного кода. От максимального количества нулей и единиц, которыми процессор может оперировать в течение секунды, и зависит производительность.

Наконец, производительность зависит от времени доступа к динамической памяти. На жестких дисках мы храним информацию в статической (долговременной) памяти, операции с которой являются довольно медленными относительно тактовой частоты процессора. Однако нам не нужны одновременно сразу все данные, которые есть в памяти наших устройств. То, что нам нужно здесь и сейчас, должно храниться в динамической памяти и доставаться именно оттуда.

Работа с этой динамической памятью, которая гораздо дороже и требует определенных энергозатрат, тоже ограничивает скорость гаджета.

Жесткий дискНа сегодняшний день информация в процессорах, будь то смартфон или суперкомпьютер, переносится с помощью электронов. Электроны, в свою очередь, обладают собственным магнитным моментом, или спином. И хотя открыли спин еще в начале ХХ века, эффективное использование спиновых эффектов в процессорах стало возможно только после 1988 года, когда был открыт гигантский магниторезистивный эффект. Он и дал толчок развитию технологий, использующих спин для переноса информации, именуемых спинтроникой. Суть этого квантового эффекта заключается в следующем: если создать структуру с тонкими чередующимися ферромагнитными и непроводящими слоями, то сопротивление такой структуры сильно зависит от направлений намагниченности ферромагнитных слоев. Эту намагниченность можно менять с помощью внешних факторов, например внешнего магнитного поля. Состояния с различным сопротивлением как раз и служат логическими нулем и единицей. На этом эффекте основана работа головки жесткого диска в современных компьютерах.

Но спинтроника для переноса информации или создания ячейки памяти использует не только ток. В качестве носителя могут рассматриваться также различные частицы или квазичастицы — например, скирмионы. Это такие области намагниченности, в которых спины отдельных атомов как бы закручены в определенном направлении. Такие структуры обладают устойчивостью и, как полагают, дадут в дальнейшем возможность создать память, плотность хранения информации в которой будет намного выше, чем в современной. Изучением таких структур, в частности, активно занимается в России группа ученых из МФТИ.




Нашли ошибку?
Выделите ее
и нажмите Ctrl + Enter

Публикуем в Вконтакте актуальные анонсы статей, выбранные редакцией Делового Донбасса
Источник:  https://www.gazeta.ru
Короткая ссылка на новость: http://www.delovoydonbass.ru/~uIU9X
Добавить новый комментарий


Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:












Viber DelovoyDonbas/

Просканируй, чтобы подписаться

Viber



000

000






Последние новости




Раз в неделю мы отправляем дайджест с самыми популярными статьями.
Email *