История вычислительной техники — это история миниатюризации. С 1960-х годов инженеры неуклонно уменьшали транзисторы, базовые элементы любого процессора, чтобы на одном чипе помещалось больше элементов. Чем их больше, тем быстрее и мощнее работает процессор. К тому же маленькие транзисторы потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла. Поэтому каждое новое поколение микросхем становилось быстрее, экономичнее и компактнее.

Гордон Мур, соучредитель компании Intel, заметил эту тенденцию. Он сформулировал правило, позднее названное его именем: количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 18–24 месяца, а вычислительная мощность растет вместе с этим.

Долгое время этот закон работал без сбоев, определяя развитие всей отрасли. Но примерно к 2010 году прогресс замедлился. Физические ограничения материалов, квантовые эффекты и крайне высокая стоимость новых фабрик по производству чипов поставили под сомнение прежнюю стратегию. 

Дальнейшее уменьшение транзисторов стало либо невозможно, либо экономически невыгодно. Компании вкладывали миллиарды долларов, но выигрыша в производительности почти не получали. Индустрия столкнулась с кризисом, справиться с которым можно было только с помощью новых идей. Одну из них предложила международная команда ученых под руководством Сяохан Ли (Xiaohang Li) из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии. 

В Китае создали ИИ-чип размером с песчинку, который использует свет для декодирования данных

Чип установлен на кончике оптического волокна и использует свет для обработки данных, он работает без внешних источников энергии. Разработчики обещают, что их детище произведет настоящую революцию в медицине, квантовых технологиях и коммуникациях.

Исследователи кардинально изменили подход к проблеме. Если нельзя размещать элементы в плоскости, почему бы не делать это в объеме? Они разработали и представили миру чип, который растет не вширь, а вверх. Его структура напоминает многоэтажное здание — 41 вертикальный уровень, сложенный из двух разных типов полупроводников и разделенных изоляционными прослойками.

Высота этого транзисторного «небоскреба» в 10 раз больше, чему  предыдущих прототипов. Такой масштаб вертикальной интеграции — абсолютный мировой рекорд. Чтобы доказать жизнеспособность технологии, команда изготовила не один опытный образец, а 600 чипов одного типа. Все они продемонстрировали стабильную и практически одинаковую производительность, что критически важно для массового производства.

Ученые не остановились на демонстрации структуры. Они пошли дальше и использовали свои многослойные чипы для выполнения ряда базовых операций, лежащих в основе работы любого вычислительного или сенсорного устройства. Результаты испытаний показали: вертикальные чипы успешно справляются с задачами, демонстрируя производительность на уровне традиционных, «плоских» аналогов.

Статья по теме: Физики превратили свет в квантовую «сверхтвердую» материю

Одним из ключевых преимуществ новой технологии стала ее потенциальная экологичность. Процесс производства таких вертикальных структур требует меньше энергии по сравнению со стандартными методами фотолитографии, которые применяют для создания современных процессоров. Как отметил участник исследования Томас Антропопулос (Thomas Anthopoulos) из Манчестерского университета в Великобритании, главная ценность разработки — не только в создании суперкомпьютеров, а в возможностях массовой электроники.

Умные домашние устройства, датчики для «интернета вещей», носимые гаджеты для мониторинга здоровья — вот целевой рынок для таких чипов. Каждый новый вертикальный слой добавляет функциональность без увеличения площади кристалла. Это позволит создавать более компактные и сложные системы, одновременно снижая углеродный след всей электронной индустрии.

На вопрос о том, есть ли предел у этой «высотной гонки», ученые дали обнадеживающий ответ. 

«На самом деле нам ничего не мешает добавлять все больше слоев в такие чипы. Это лишь вопрос упорства и труда. Теоретически можно сделать столько уровней, сколько нужно, и тогда в одном маленьком чипе поместится невероятное количество деталей», — объяснил Антропопулос. 

В IBM заявили, что к 2029 году компания создаст полноценный квантовый компьютер

Команда IBM представила план по созданию до конца десятилетия машины под названием Starling, которая, как надеются исследователи, сделает квантовые вычисления безошибочными и полезными для академических кругов и промышленности. По заверению специалиста, для этого у компании уже есть все необходимые технологии.

Однако у технологии есть и серьезный недостаток, который предстоит решить. Проблема — в тепле. Такая многослойная структура напоминает несколько теплых курток, надетых одна на другую. Каждый активный слой генерирует тепло, и отвести его из центра «сэндвича» крайне сложно. Существующий прототип функционирует стабильно только до температуры в 50 градусов Цельсия. Для коммерческого использования в реальных устройствах, которые могут нагреваться на солнце или при активной работе, этот порог необходимо поднять как минимум до 80 градусов.

Выводы исследователей представлены в журнале Nature Electronics.