Drucik z pętelką

Amerykański inżynier Gordon Moore, jeden z założycieli Intela, producenta mikroprocesorów komputerowych, sformułował w 1965 r. słynne prawo. Mówi ono, że co półtora roku podwaja się moc obliczeniowa komputerów oraz pojemność ich pamięci. Prawo Moore’a jest jednak prawem tylko z nazwy, gdyż nie formułuje zasady nieubłaganie rządzącej światem fizycznym – tak jak np. prawo powszechnego ciążenia. Moore dostrzegł jedynie pewną prawidłowość w dziedzinie mikroelektroniki. Co ciekawe jednak, jego obserwacja cały czas pozostaje aktualna – ze stałą regularnością rośnie moc komputerów i pojemność pamięci.

Doświadcza tego niemal każdy, widząc, jak szybko starzeje się sprzęt komputerowy w domu lub na biurku w pracy. 20 lat temu niejedno bogate laboratorium naukowe pozazdrościłoby mocy obliczeniowej dzisiejszego przeciętnego notebooka. Postęp dotyczy także innego sprzętu elektronicznego – odtwarzacze mp3 mieszczą w sobie coraz więcej muzyki, a telefony komórkowe stają się małymi uniwersalnymi komputerami. Świetnym tego przykładem jest najnowszy model iPhona firmy Apple, który w lipcu trafił na rynek. Może służyć m.in. nie tylko jako telefon, przeglądarka internetowa, organizer, odtwarzacz muzyki i filmów, ale ma również wbudowany odbiornik GPS umożliwiający nawigację. Wyposażenie małego urządzenia w tak rozliczne funkcje stało się możliwe właśnie dzięki postępującej miniaturyzacji układów elektronicznych – pamięci i procesorów.

Zdaniem słynnego amerykańskiego wynalazcy Raya Kurzweila, możliwości maszyn cyfrowych będą rosły lawinowo, a postęp w tej dziedzinie gwałtownie przyspiesza. Potwierdzeniem może być artykuł, który pojawił się w tygodniku „Science”. Jego autorami są naukowcy z należącego do koncernu IBM laboratorium Almadan Research Center w San Jose w Kalifornii. Zapowiedzieli wejście na rynek za pięć lat nowego rodzaju pamięci, tzw. Race Track Memory (co można przetłumaczyć jako pamięć toru wyścigowego). Ma ona pozwolić na zapisanie aż stu razy więcej danych, niż w tej chwili są w stanie pomieścić układy typu flash (dziś to maksymalnie 64 GB) – znajdujące się m.in. w odtwarzaczach mp3, przenośnych PenDrive’ach, kartach pamięci cyfrowych aparatów fotograficznych czy telefonach komórkowych. Jeśli tak się stanie, w zwykłym odtwarzaczu mp3 będzie można zmieścić około pół miliona utworów muzycznych, 3,5 tys. filmów lub całotygodniowy program kilkudziesięciu kanałów telewizyjnych. Ponadto pamięć RTM ma być tania, niezwykle szybka
i zużywać mniej prądu niż układy typu flash.

Co jest takiego niezwykłego w pomyśle naukowców z IBM, że postęp w dziedzinie pojemności pamięci będzie nawet szybszy, niż przewiduje prawo Moore’a? Pamięć RTM składa się z ogromnej liczby mikroskopijnych drucianych pętelek. Wewnątrz tych drucików przesuwają się obszary namagnesowania, czyli tzw. domeny – można je sobie wyobrazić jako poruszające się po torze wyścigowym samochody. Domeny dają się namagnesowywać za pomocą prądu elektrycznego w przeciwnych kierunkach (czyli, posługując się metaforą, samochody mogą jechać po torze przodem albo tyłem). Kierunek namagnesowania symbolizuje logiczne zero i jedynkę, za pomocą których zapisuje się liczby w układzie dwójkowym (w ten właśnie sposób we wszystkich komputerach kodowane są informacje). Pod każdym z takich drucików znajduje się głowica, odczytująca i zapisująca kierunek namagnesowania przesuwających się domen. Właśnie to, że w każdym druciku jest wiele domen, powoduje, iż pamięć zbudowana z licznych równoległych pętelek jest znacznie pojemniejsza od
twardego dysku, w którym bity, czyli elementarne porcje informacji, zapisane są jedynie na powierzchni płyty.

– To obiecująca technologia, ale jeśli wejdzie na rynek, to dopiero za kilka lat. Moim zdaniem inne technologie wcześniej zrewolucjonizują pamięci komputerowe i odeślą do lamusa twarde dyski – uważa prof. Tomasz Dietl z Instytutu Fizyki PAN i Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego. Na rynek już zaczynają wchodzić notebooki pozbawione twardych dysków, które są zastępowane przez coraz bardziej pojemną pamięć typu flash.

– Kolejna bardzo obiecująca technologia to tzw. spinRAM. W twardych dyskach głowica poruszająca się nad ich powierzchnią zapisuje informacje za pomocą pola magnetycznego, natomiast w pamięciach spinRAM to prąd elektryczny będzie grał rolę głowicy. Dzięki temu pamięć zostanie zminiaturyzowana oraz wykluczy się ruchome mechaniczne części obecne w twardych dyskach. To zaś spowoduje wzrost pojemności, szybkości i niezawodności pamięci – wyjaśnia prof. Dietl.

Trzeci kandydat do zastąpienia obecnie stosowanych pamięci komputerowych to tzw. pamięć fazowa. Materiał, z którego jest zbudowana, w pewnej temperaturze przechodzi z fazy bezpostaciowej (amorficznej) w krystaliczną. W tych dwóch postaciach stawia inny opór prądowi elektrycznemu, co można wykorzystać jako zapis logicznej jedynki (większy opór) i zera (mniejszy opór). – Dopiero na czwartym miejscu postawiłbym technologię Race Track Memory, gdyż moim zdaniem jest ona obecnie najmniej zaawansowana. Chyba że firma IBM osiągnęła postęp, który, ze względu na ogromną konkurencję na rynku, na razie nie został ujawniony – mówi prof. Dietl.

W laboratoriach na całym świecie trwają również prace nad innymi rodzajami pamięci – m.in. biologicznymi, wykorzystującymi DNA, białka i reakcje chemiczne do zapisu informacji. Choć prowadzi się w tej dziedzinie intensywne badania, są to technologie na bardzo wczesnym etapie rozwoju i trudno powiedzieć, czy i kiedy zakończą się sukcesem. Jedno jest pewne – prawo Moore’a nie przestanie obowiązywać. Dotyczy to również mocy obliczeniowej komputerów. Choć kres wydajności krzemowych półprzewodników przewidywany jest około 2020 r., już powstają nowe materiały, które mogą je zastąpić. Jednym z nich jest graphene, czyli warstwa grafitu grubości jednego atomu. Dzięki temu materiałowi szybkość procesorów niedługo wzrośnie trzykrotnie.

Dalsza przyszłość może natomiast należeć do ultraszybkich komputerów kwantowych. Dziś do szyfrowania danych w Internecie – np. haseł czy numerów kart kredytowych – używa się kodu 128-bitowego. To bardzo skuteczne narzędzie, gdyż najpotężniejsze współczesne komputery potrzebują co najmniej tygodnia do złamania np. jakiegoś hasła. Komputerowi kwantowemu ta sama czynność zabierze najwyżej kilka sekund! – Jednak przed nami jest jeszcze wiele teoretycznych i praktycznych problemów do rozwiązania. Komputer kwantowy to skomplikowane urządzenie i nie potrafię przewidzieć, kiedy powstanie – na pewno jednak nie w ciągu najbliższych kilku lat – mówi dr Steve Simon kierujący działem fizyki teoretycznej w słynnych laboratoriach Bella, należących obecnie do firmy Alcatel-Lucent. Ale nawet bez komputera kwantowego nasze urządzenia elektroniczne nie przestaną się starzeć w zawrotnym tempie. To co dziś jest np. najnowszym modelem notebooka o zapierających dech w piersiach parametrach, już za rok–dwa może stać się zabytkiem.
I musimy się do tego przyzwyczaić.

Marcin Rotkiewicz