Эволюция характеристик микропроцессоров за последние десятилетия. Тактовая частота в мегагерцах показана красными символами. Изображение с сайта intelligence.org
В пикосекундный диапазон попадает и еще один класс физических явлений, с которым мы, не задумываясь о том, сталкиваемся каждый день. Речь идет про электронные процессы в полупроводниках и про вытекающие отсюда ограничения на быстродействие электроники.
Типичная тактовая частота современных процессоров — несколько гигагерц. Частота 5 ГГц — это один такт за 200 пс. Но этот вычислительный цикл происходит не по мановению волшебной палочки. При подаче напряжения в каждом вычислительном элементе, насчитывающем несколько транзисторов, перетекают электроны, возникают и затухают переходные процессы, «устаканивается» новое электронное состояние. И всё это должно уместиться в 200-пикосекундное окно. Ясно, что это накладывает временные ограничения на сами транзисторы. Для того чтобы не произошло сбоя, чтобы идущие друг за другом такты не мешали друг другу, нужно, чтобы все переходные процессы устаканивались намного быстрее этого тактового цикла. На языке микроэлектроники это звучит так: граничная частота транзистора должна быть примерно на порядок выше желаемой тактовой частоты всего процессора.
Граничная частота современных транзисторов, изготовленных по субстонанометровой технологии, лежит в районе сотни гигагерц. Дальнейшая миниатюризация элементов на основе традиционной кремниевой технологии становится очень хлопотной, поэтому неудивительно, что в современных компьютерах растет не тактовая частота, а количество ядер — отдельных вычислительных узлов. Возможно, что с приходом на рынок транзисторов на основе графена вычислительную технику ожидает новый рывок. Уже сейчас граничная частота графеновых транзисторов вышла в сотни ГГц, а при дальнейшей миниатюризации может достичь и ТГц.
Схематическое изображение транзистора на основе графена. Изображение с сайта physicsworld.com
Однако не стоит рассчитывать, что в результате графеновой революции тактовая частота вычислительных устройств возрастет на несколько порядков! Каким бы идеальным ни был графеновый транзистор, в нем всё равно должны перемещаться электроны. Даже если они летят по инерции со своей «рабочей» скоростью (она для графена составляет примерно 1/300 от скорости света, т. е. тысячу км/сек), им для пролета стонанометрового устройства потребуется
|
Такое время отвечало бы граничной частоте 10 ТГц. В реальности переходные процессы занимают больше времени, чем баллистический пролет электронов сквозь устройство. Так что даже при самом радужном развитии событий нас ожидает повышение тактовой частоты вычислительных устройств в несколько раз, может быть на порядок, но не более того. Конечно, производительность микропроцессора не сводится к одной лишь тактовой частоте, но если мы всё же хотим ее повышать и дальше, нам придется отказаться от традиционной электроники и научиться управлять электронными токами с помощью световых импульсов. Но это пока что дело отдаленного будущего.
Электромагнитные волны Как начинается плавление
