Наномеханический компьютер: надёжный и экономичный

Типичный NEMSET. Колебательный контур слева позволяет применять как переменный, так и постоянный ток. Регистрируемый ток зависит от положения наноколонны в центре. В этом эксперименте электроды затвора заземлены.

Для производства такого количества энергии необходимо огромное количество топлива, при сжигании которого выделится приблизительно 128 миллионов тонн CO2 (по данным Environmental Protection Agency, производство 1 кВтч энергии сопровождается выделением 0.64 кг CO2). И всё это - только настольные компьютеры и ноутбуки, не учитывая огромное количество разнообразных чипов, которые используются в других электронных устройствах.

Исследователи предлагают создать наномеханический компьютер (nanomechanical computer – NMC), основанный на наноэлектромеханических (nanoelectromechanical system – NEMS) компонентах, который будет характеризоваться значительно меньшим потреблением энергии. Есть три основных причины для создания такого компьютера:

1. механические элементы значительно лучше переносят перепады напряжения, чем динамическое ОЗУ (dynamic random access memory – DRAM), основанные на технологии комплементарного металло-оксидного полупроводника (complimentary metal oxide semiconductor – CMOS); 2. потребление энергии значительно меньше, чем у CMOS; 3. рабочая температура NMC может быть значительно выше, чем у CMOS.

На настоящий момент, такой механический компьютер существует только гипотетически. Однако сокращение энергопотребление компьютеров (а не увеличение, как это происходит с приходом новых поколений чипов) является важной задачей.

Вычислительное устройство, основанное на NEMS, могло бы стать альтернативой микропроцессорам, от которых требуется надежность, низкий расход энергии и устойчивость к высоким температурам. Текущие рабочие частоты наноэлектромеханических одноэлектронных транзисторов (NEMSETs) не превышают 1 ГГц. Это делает их неконкурентоспособными стандартным CMOS в тех областях применения, где важна скорость обработки информации.

Разностная машина Чарльза Бэббиджа. Это первая полностью автоматическая вычислительная машина.

Однако механические компьютеры найдут своё применение в областях, где важно снизить потребление энергии и повысить надёжность, например, автомобильная промышленность (необходима термостойкость) или игрушки и бытовая техника (уменьшение расхода энергии). И, конечно, военные заинтересуются NMC, потому что в отличие от кремниевых чипов, наномеханические устройства не восприимчивы к электромагнитному пульсу, который противник может использовать для выведения электроники из строя.

Идея механического компьютера возвращает нас к разностной машине Чарльза Бэббиджа. Первая разностная машина состояла приблизительно из 25 000 частей общим весом около 13 600 кг. Позже появилась улучшенная модель, "Разностная машина №2". Эта машина позволяла получать результат с точностью до 31 цифры, что превышает возможности обычного современного калькулятора.

Разностная машина Бэббиджа вдохновила Robert H. Blick и Lynn H. Matthias из University of Wisconsin-Madison на создание аналога «14 тонного монстра» в наномасштабе. В статье ("A nanomechanical computer—exploring new avenues of computing") они высказывают идею создания наномеханического компьютера.

Авторы считают, что NMC, основанный на сверхтвёрдых материалах, типа алмаза, сможет функционировать при высоких температурах. "Рабочая температура может достигать 500°C. Это представляет большой интерес для космических операций и эксплуатации в других агрессивных окружающих средах или когда доступ к электроэнергии ограничен".

В отличие от современной электроники, где для выполнения операции над двоичными числами используется ток, NMC будет использовать перемещения для выполнения вычислений (аналогично принципу, реализованному в разностной машине Бэббиджа). Blick и его коллеги в настоящее время делают первые транзисторы, необходимые для этого компьютера. "Мы продемонстрировали работу отдельных элементов этих транзисторов", - говорит Blick. Он также уверен, что будут созданы работающие схемы.

В то время как полноценные NMC – далёкое будущее, наиболее перспективными являются гибридные чипы, в которых NMC будут реализованы на кремниевой основе и объединены с традиционным CMOS. Такие устройства были бы более конкурентоспособными и потребляли бы меньше электроэнергии, чем современные чипы-«прожигатели энергии».