Глава лаборатории HP рассказал о светлом завтра

Автор одного из самых амбициозных технических открытий последних лет работает в Hewlett-Packard. Харизматичный Стэнли Вильямс (Stanley Williams) – старший исследователь компании. Он ходит с палочкой, говорит простым языком и занимается прикладной физикой более 30 лет. Под руководством Вильямса лаборатория квантовой физики HP подарила миру множество передовых технологий: от привычных уже сенсоров для оптических мышей до сверхсовременных мемристоров.
 
Во время форума HP Technology@Work 2010 небольшой группе журналистов из разных стран удалось пообщаться с этим удивительным человеком. Стэнли Вильямс рассказал, как мемристоры изменят ИТ-рынок в самое ближайшее время, о том, почему фотонный компьютер не появится, почему HP приобретала сложное научное оборудование на eBay, и о множестве других любопытных вещей.

Одним из важных направлений работы лаборатории является создание сенсоров («инерционных акселерометров») для проекта «центральной нервной системы Земли» (CeNSE – Central Nervous System for the Earth). Миллиарды датчиков опутают Землю и будут собирать разнообразную информацию обо всех важных процессах, происходящих в реальном времени. Задача лаборатории – создать сенсоры, которые бы были: а) дешевыми, б) высокочувствительными и в) простыми в производстве. Новые решения HP по чувствительности в тысячу раз (!) лучше представленных сейчас на рынке, а производить их можно фактически при помощи нынешних массовых технологий струйной печати – следовательно, совсем недорого. Сперва передовые сенсоры HP будут обслуживать Shell, помогая нефтегазовому гиганту в разведке новых подземных месторождений.

Немало времени Стэнли посвятил рассказу об успехах фотонных технологий. По его словам, фотоны (элементарные частицы света) плохо подходят для вычислений, и фотонные компьютеры, даже если они когда-нибудь появятся, будут в миллионы (!) раз больше современных компьютеров по размерам. Поэтому время от времени попадающиеся заметки о том, что той или иной неизвестной группе исследователей удалось создать квантовый компьютер, необходимо проверять тщательнейшим образом.

Кстати, именно таким авантюристам HP обязана серьезными скидками на передовое исследовательское оборудование: во времена бума дот-комов чуть ли не каждый второй стартап в Силиконовой долине занимался фотоникой. Пузырь схлопнулся, и в надежде вернуть хотя бы часть вложенных средств инвесторы отправили материальные активы лабораторий в «свободное плавание» на eBay. При этом, говорит Стэнли Вильямс, многие экземпляры были не просто новыми-гарантийными, а даже в нераспечатанных упаковках! Несмотря на серьезную экономию средств, руководство долго изучало предложение Вильямса по закупкам на eBay. «Вы понимаете, это ведь не то место, где HP обычно приобретает научные приборы», – улыбается заслуженный исследователь компании.

А вот в телекоммуникациях, уверен ученый, фотоны будут служить верой и правдой: медные линии передачи данных сменятся на «оптику» везде, где только можно. При этом технологии будут упираться в физические пределы. Системы хранения данных станут оперировать атомами, вычислительные системы – электронами, системы передачи данных – фотонами.

Но пока оптические линии остаются для массового потребителя еще слишком дорогим удовольствием. «Мы ждали, что телекоммуникационные компании предложат соответствующие технологии, но, судя по всему, им это не интересно», – отмечает Вильямс.

Приходится действовать самим: в новом поколении оптических коммуникаций от HP будут использоваться не сложные и дорогие лазеры, а практически те же устройства, что используются сейчас в оптических мышках. Но их стоимость для построения полноценных оптических сетевых устройств еще слишком велика: «нам нужно снизить ее в сотни раз, от сотен долларов до нескольких центов на один лазер». Тут вопрос и в объемах, и в заказах, и в технологиях. В своей лаборатории Стэнли Вильямс собирается сделать фотонные коммуникации доступными уже в ближайшие годы. А фотонные вычисления, считает он, в лучшем случае вопрос десятилетий.

«На закуску» беседы оставили мемристор, одно из первых настоящих «наноустройств» в мире, способное изменить рынок не только хранения данных, но и вычислений. НР уверена, что мемристоры в ближайшем будущем дополнят классические элементы электрических цепей – резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Само название складывается из слов «memory» (память) и «резистор» – получается «мемристор», или резистор с памятью.

Работу над ним группа под руководством Вильямса начала в 1995 году – целью было создать настоящее наноустройство, сделать возможным продолжение закона Мура («число транзисторов на кристалле микросхемы удваивается каждые 24 месяца»). В 1998 году «нащупали» направление и до 2002 года ходили вокруг да около. В 2002-м к исследователям попала бумага профессора Леона Чуа (Leon Chua), который еще в 1971 году построил теоретическую модель «фундаментального элемента, который невозможно воплотить на практике». В своей модели профессор Чуа установил зависимость между интегралом по времени силы тока, протекающего через элемент, и напряжения на нем. В августе 2008 года ученым удалось создать физическую модель, полностью соответствующую математической модели практически 40-летней давности!

Сопротивление мемристора может меняться в зависимости от поданного напряжения, сохраняться (при снятии напряжения) и сбрасываться при подаче напряжения обратной полярности. При этом, в отличие от флэш-памяти, отсутствуют ограничения по времени хранения «записанного» значения, а также по количеству циклов перезаписи. Время смены состояния (7-8 наносекунд) в тысячу раз быстрее, чем у флэш-памяти.

В ближайшие три года, уверен С. Вильямс, НР сможет создать коммерческие продукты, полноценно конкурирующие с флэш-памятью. При этом емкость их будет как минимум вдвое больше и дешевле (проще структура), а также быстрее. Плотность размещения данных в мемристорных структурах составит 20 гигабайт на см2 в ближайшие три года и до нескольких терабайт на см2 в ближайшие десять лет.
Глава лаборатории квантовой физики HP говорит о возможности создания на основе мемристоров компьютерной памяти, при этом она не будет сбрасываться при выключении питания. Представьте, что вам не придется переводить каждый раз компьютер в спящий режим, переписывая содержимое памяти на диск: при включении компьютера на базе мемристорной памяти все загруженные программы и рабочее окружение останется таким же, как и при выключении питания.

Мемристорная память может стать основой и для крупных накопителей, заменив жесткие диски. Более того, как недавно подтвердили исследователи, на базе мемристоров можно строить непосредственно логические элементы – представьте, что программа в памяти сможет исполняться самой памятью, а не центральным процессором! В этом случае радикально сократятся издержки на передачу данных из памяти в вычислительный блок и на возвращение результата обратно. Впрочем, до полноценных мемристорных компьютеров еще далеко, отмечает С. Вильямс.

Но возможность коммерческого производства мемристорных модулей уже совсем близка. К тому же не требуется специальных материалов и переоборудования фабрик: в создании мемристоров используется сравнительно распространенный и применяемый, в том числе, в краске диоксид титана (TiO). По словам ведущего исследователя, любая современная фабрика по производству полупроводников сможет начать производство мемристоров хоть завтра, если ей будет предоставлен дизайн элемента – как раз то, над чем группа исследователей сегодня активно работает.

Вполне возможно, что первые устройства на базе мемристоров совершат революцию в компьютерной технике – коммерческих образцов, уверен Вильямс, осталось ждать совсем недолго.

Николай ЩЕТЬКО

Автор благодарит за организацию беседы пресс-службу компании HP в России и СНГ