Прошло шесть десятилетий с тех пор, как Иван Сазерленд создал Sketchpad, программную систему, которая предсказала будущее интерактивных и графических вычислений. В 1970-х он сыграл важную роль в объединении компьютерной индустрии для создания микрочипа нового типа с сотнями тысяч схем, который станет основой современной полупроводниковой промышленности.
Теперь доктор Сазерленд, которому 84 года, считает, что Соединенным Штатам в критический момент не удается рассмотреть альтернативные технологии производства микросхем, которые позволили бы стране вернуть себе лидерство в создании самых передовых компьютеров.
Он утверждает, что, полагаясь на переохлажденные электронные схемы, которые переключаются без электрического сопротивления и, как следствие, не выделяют избыточного тепла на более высоких скоростях, разработчики компьютеров смогут обойти самый большой технологический барьер на пути к более быстрым машинам.
«Страна, которая наилучшим образом воспользуется возможностями сверхпроводящих цифровых схем, будет наслаждаться вычислительным превосходством на протяжении десятилетий», — написали он и его коллега недавно в эссе, которое было распространено среди технологов и правительственных чиновников.
Открытия доктора Сазерленда важны отчасти потому, что несколько десятилетий назад он сыграл важную роль в создании доминирующего сегодня подхода к созданию компьютерных микросхем.
В 1970-х годах доктор Сазерленд, который был заведующим кафедрой информатики в Калифорнийском технологическом институте, и его брат Берт Сазерленд, в то время руководивший исследованиями в подразделении Xerox под названием Исследовательский центр Пало-Альто, представили ученого-компьютерщика Линн Конвей к физику Карверу Миду.
Они первыми разработали конструкцию, основанную на типе транзистора, известного как комплементарный металл-оксид-полупроводник или CMOS, который был изобретен в Соединенных Штатах. Это позволило производить микрочипы, используемые в персональных компьютерах, видеоиграх и огромном количестве товаров для бизнеса, потребления и военного назначения.
Теперь д-р Сазерленд утверждает, что альтернативной технологии, которая предшествовала КМОП и имела много фальстартов, следует дать другой взгляд. Сверхпроводящая электроника была впервые разработана в Массачусетском технологическом институте в 1950-х годах, а затем в 1970-х годах IBM занималась ею, прежде чем от нее в значительной степени отказались. В какой-то момент он даже совершил странный международный крюк, прежде чем вернуться в Соединенные Штаты.
В 1987 году Михаил Горбачев, последний советский лидер, прочитал в российской газете «Правда» статью, в которой описывался поразительный прогресс в области низкотемпературных вычислений, сделанный японским гигантом микроэлектроники Fujitsu.
Г-н Горбачев был заинтригован. Он хотел знать, не это ли та область, в которой Советский Союз мог преуспеть? Задача провести пятиминутный брифинг для советского Политбюро в конце концов легла на Константина Лихарева, молодого доцента физики МГУ.
Однако, прочитав статью, д-р Лихарев понял, что репортер «Правды» неправильно прочитал пресс-релиз и заявил, что сверхпроводящая микросхема памяти Fujitsu работает на пять порядков быстрее, чем она есть на самом деле.
Д-р Лихарев объяснил ошибку, но отметил, что поле все еще перспективно.
Это положило начало цепи событий, благодаря которым крошечная лаборатория доктора Лихарева получила несколько миллионов долларов на поддержку исследований, что позволило ему создать небольшую группу исследователей и, в конце концов, после падения Берлинской стены, переехать в Соединенные Штаты. Доктор Лихарев занял должность физика в Университете Стоуни-Брук в Нью-Йорке и помог основать Hypres, компанию по производству цифровых сверхпроводников, которая существует до сих пор.
На этом история могла бы закончиться. Но похоже, что неуловимая технология может снова набрать обороты, потому что затраты на производство современных микросхем стали огромными. Новый завод по производству полупроводников стоит от 10 до 20 миллиардов долларов, и на его строительство уходит до пяти лет.
Доктор Сазерленд утверждает, что вместо того, чтобы продвигать более дорогие технологии, которые приводят к снижению эффективности, Соединенным Штатам следует подумать о подготовке поколения молодых инженеров, способных мыслить нестандартно.
Вычислительные системы на основе сверхпроводников, в которых электрическое сопротивление переключателей и проводов падает до нуля, могут решить проблему охлаждения, которая все больше беспокоит мировые центры обработки данных.
В производстве чипов CMOS доминируют тайваньские и южнокорейские компании. В настоящее время Соединенные Штаты планируют потратить почти одну треть триллиона долларов частных и государственных денег, чтобы восстановить национальную индустрию чипов и восстановить свое глобальное господство.
К доктору Сазерленду присоединились другие представители отрасли, которые считают, что производство КМОП достигает фундаментальных пределов, которые сделают цену прогресса невыносимой.
«Я думаю, мы можем с некоторой уверенностью сказать, что нам придется радикально изменить способ проектирования компьютеров, потому что мы действительно приближаемся к пределу возможного с нашей современной технологией, основанной на кремнии», — сказал Джонатан Куми, специалист. в крупномасштабных вычислительных требованиях к энергии.
Поскольку размер транзисторов сократился до сотен или тысяч атомов, полупроводниковая промышленность все чаще сталкивается с множеством технических проблем.
Современные микросхемы микропроцессоров также страдают от того, что инженеры называют «темным кремнием». Если одновременно использовать все миллиарды транзисторов современного микропроцессорного чипа, выделяемое ими тепло расплавит чип. Следовательно, целые секции современных чипов отключены, и только некоторые из транзисторов работают в любой момент времени, что делает их гораздо менее эффективными.
Доктор Сазерленд сказал, что Соединенным Штатам следует рассмотреть альтернативные технологии по соображениям национальной безопасности. Он предположил, что преимущества технологии сверхпроводящих вычислений могут быть впервые использованы на высококонкурентном рынке базовых станций сотовой связи, специализированных компьютеров внутри вышек сотовой связи, обрабатывающих беспроводные сигналы. По его словам, Китай стал доминирующей силой на рынке текущей технологии 5G, но чипы 6G следующего поколения выиграют как от экстремальной скорости, так и от значительно более низкого энергопотребления сверхпроводящих процессоров.
С этим согласны и другие руководители отрасли. «Иван прав в том, что проблема питания — это большая проблема, — сказал Джон Л. Хеннесси, инженер-электрик, председатель Alphabet и бывший президент Стэнфорда. Он сказал, что есть только два пути решения проблемы — либо повышение эффективности за счет нового дизайна, что маловероятно для компьютеров общего назначения, либо создание новой технологии, не связанной существующими правилами.
Одной из таких возможностей может быть создание новых компьютерных конструкций, имитирующих человеческий мозг, что является чудом эффективности вычислений с низким энергопотреблением. Исследования искусственного интеллекта в области, известной как нейроморфные вычисления, ранее использовали обычное производство кремния.
«Существует действительно потенциал для создания эквивалента человеческого мозга с использованием технологии сверхпроводимости», — сказал Эли Трек, главный технический директор компании Hypres, занимающейся сверхпроводимостью. По сравнению с технологией квантовых вычислений, которая все еще находится на ранних экспериментальных стадиях, «это то, что можно сделать сейчас, но, к сожалению, финансирующие организации не обратили на это внимания», — сказал он.
Время для сверхпроводящих вычислений, возможно, еще не пришло, отчасти потому, что каждый раз, когда кажется, что мир КМОП вот-вот натолкнется на последнее препятствие, умная инженерия преодолевает его.
В 2019 году группа исследователей из Массачусетского технологического института во главе с Максом Шулакером объявила, что построила микропроцессор из углеродных нанотрубок, который обещает в 10 раз повысить энергоэффективность современных кремниевых чипов. Доктор Шулакер работает с Analog Devices, производителем полупроводников в Уилмингтоне, Массачусетс, над коммерциализацией гибридной версии технологии.
«Я все больше и больше верю, что вы не сможете победить кремний», — сказал он. «Это движущаяся мишень, и она действительно хороша в том, что делает».
Но поскольку кремний приближается к атомарным пределам, альтернативные подходы снова кажутся многообещающими. Марк Горовиц, ученый-компьютерщик из Стэнфорда, который помог основать несколько компаний Кремниевой долины, сказал, что не хочет сбрасывать со счетов страсть доктора Сазерленда к сверхпроводящей электронике.
«Знаете, люди, изменившие ход истории, всегда немного сумасшедшие, но иногда они действительно сумасшедшие, — сказал он.
