Az informatikát évtizedek óta a szilíciumalapú technológia határozza meg, ám a további fejlődést egyre erősebb fizikai, technológiai, gazdasági és innovációs korlátok hátráltatják. Szakemberek évek óta kutatják az alternatívákat az optikai megoldásoktól az új anyagokig, amelyek most már talán belátható közelségbe kerültek.
◼︎ Számítógépek új alapokon
A szilícium évtizedek óta egyeduralkodó a félvezetők alapanyagaként. Ugyanakkor a technológiában rejlő lehetőségek már lassan elérnek a fizikai határokhoz (bár erre a mondásra a chipgyártás mindeddig rácáfolt). Ugyanakkor a néhány nanométerben mérhető miniatürizáció nyomán kiszámíthatatlan kvantummechanikai jelenségek léphetnek fel és a kisebb tranzisztorok sűrűbben helyezkednek el, így több hő termelődik, amit egyre nehezebb elvezetni. De nemcsak a chipekben jelentkeznek korlátok, hanem a lapkakészleteken és a számítógépen belüli kommunikációban is. A fémvezetékekben jelentkező elektromos ellenállás miatti jellassulás és magas hőtermelés is egyre több problémát okoz. A memória és a háttértár sokszor nem tudja a processzorok sebességének megfelelő tempóban szolgáltatni az adatokat, és az energia nagy része számítások helyett az adatok mozgatásában vész el.
Gazdaságilag az emelkedő gyártási költségek, az anyag- és energiaigény szab határokat a szilíciumalapú technológia fejlődésének. A szilíciumkorongok (waferek) tisztán és nagy méretben történő előállítása energiaintenzív, a gyártási folyamatokhoz ritka anyagok, például kobalt, gallium is kellenek. Ráadásul a méretek csökkenésével és a tranzisztorok számának ezzel arányos növekedésével egyre komolyabb kihívást jelent a hibaarány, a tervezési komplexitás és a gyártás.
Számítások fénysebességgel
A három lehetséges alternatíva közül leghamarabb, a következő öt-tíz évben az optikai megoldások áttörése várható. Ezekben a számítógép-architektúrákban a jelfeldolgozás nagy része fény (fotonok) segítségével történik, akár az elektromos jelátvitel teljes elhagyásával.
Az optikai megoldások többfélék lehetnek: logikai kapuk, fotonikus integrált áramkörök, hibrid optikai-elektronikus rendszerek, kvantumoptikai elemek. Jóval nagyobb adatátviteli kapacitást biztosítanak, alacsonyabb az energiafelhasználásuk, így ezekkel a komponensekkel jobban méretezhető rendszerek építhetők.
A jelenben és a közeljövőben a fényalapú alkotóelemek fokozatosan épülnek be hagyományos elektronikus rendszerekbe. Elsőként a nagy adatátviteli sebességet és sávszélességet igénylő feladatoknál terjedhetnek el a hibrid – optikai csatornákat, de a logikai/vezérlési műveleteknél elektronikát használó – rendszerek. Az AI-gyorsítók, a specializált feladatokra optimalizált optikai processzorok és az optikai memóriák fejlesztése is várhatóan lendületet kap.
Kézzelfogható eredmények
A japán NTT, a Sony és az Intel által indított – de már széles körű iparági támogatással működő – kezdeményezés, az IOWN (Inter-Optical Wireless Networks) arra törekszik, hogy az optikát a hálózatok és a szerverek minden szegletébe eljuttassa. A nagy távolságú hálózatok ma is optikai alapokon működnek, de a forgalom irányítására szolgáló routerek miatt folyamatosan ide-oda kell kapcsolgatni az optikai és az elektromos jelek között.
Az IOWN részét képező egyik technológia, a teljesen optikai hálózat (all-photonic network, APN) először az adatközpontok között, majd a szervereken belül akarja felszámolni. Utóbbi esetében – 2030 környékére – szeretnének megjelenni olyan megoldásokkal, amelyek már a chipen belüli kommunikációt legalábbis részben optikai módon oldják meg.
A megoldás egyik legnagyobb előnye a teljesítmény növelése és a fogyasztás csökkentése. Az optikai hálózatok és komponensek sokkal kevesebb energiát használnak fel, mint az elektromos alkatrészek, és a teljesítmény növelése nem jár a fogyasztás hasonló mértékű emelkedésével. Ráadásul a fotonikus berendezések nem melegednek, így a hűtés is könnyebben oldható meg.
Folynak már kísérletek a kvantumoptikai rendszerekkel is. Az eddigiekhez képest nagyon új alapokon nyugvó optikai technológia elterjedéséhez azonban széleskörű szabványosításra lesz szükség, különben nem vagy csak nagy nehézségek árán integrálhatók a meglévő szoftver- és hardverinfrastruktúrákba.
Félvezetők a szilíciumon túl
A jelenlegi félvezetőipar annyira a szilíciumra épül, hogy ha azt ki akarjuk iktatni, szinte minden kutatást elölről kell kezdeni. Előbb-utóbb valósággá válhatnak a szilíciummentes számítógépek, de a következő öt évben inkább csak kísérleti szinten, laboratóriumokban találkozhatunk majd velük. Minden valószínűség szerint először ezen a téren is a hibrid rendszerek terjednek el, így a szilícium még sokáig velünk marad.
| A távoli jövő ígéretei
A kutatólaboratóriumokban már több évtizedes távlatokban is gondolkodnak a tudósok.
|
Legmesszebb a gallium-nitrid és az indium-foszfid félvezetők kutatásában jutottak a tudósok és mérnökök. Ezek előnye, hogy az elektronok sokkal gyorsabban mozognak bennük, nagy frekvencián is stabilak, ami a rádiófrekvenciás és az 5G/6G alkalmazásokban fontos. Ennek köszönhetően az optoelektronikai integrációnak is főszereplői lehetnek. A gallium-nitridet ma energiahatékony tápegységekhez, nagy teljesítményű tranzisztorokhoz, az indium-foszfidot fotonikus chipekhez használják.
Szénkorszak az informatikában
Középtávon – tíz-húsz éven belül – a grafén is preferált megoldás lehet. Ebben a különleges szénben az elektronok extrém mobilisak; maga az anyag hajlékony, átlátszó elektronikai megoldásokban is használható; ezenkívül jól illeszthető nanoszerkezetekhez. Hátránya, hogy nehéz belőle klasszikus tranzisztort készíteni. Laboratóriumokban már működnek nem klasszikus tranzisztorok, de a tömegtermelésig még hosszú az út.
A szén nanocsövek elméletileg szintén mindenben jobbak a szilíciumnál. Az elektronok nagyon gyorsan mozognak bennük, és kiváló a hővezetésük. Prototípus-chipeket állítottak már elő belőlük, de a tömeges gyártás még hosszabb ideig várat magára, így ez is évtizedes távlatban jelenthet megoldást.
