Обычный кремний неожиданно получил "сверхспособности" – это может изменить всю индустрию чипов

Исследователи из Korea Advanced Institute of Science and Technology представили новую вычислительную систему на базе кремниевых осцилляторов, сообщает TechXplore. По словам авторов работы, такая архитектура способна значительно быстрее традиционных компьютеров решать сложные комбинаторные задачи – то есть задачи, где нужно проанализировать огромное количество возможных вариантов.

Смотрите также Немецкие ученые создали чип со скоростью более 500 Гбит в секунду

Одним из самых известных примеров подобных задач является задача коммивояжера. В ней нужно найти кратчайший маршрут между большим количеством точек. Для классических компьютеров такие расчеты становятся все сложнее с увеличением количества параметров, ведь система вынуждена перебирать огромное количество комбинаций или использовать специальные алгоритмы оптимизации.

Сегодня одним из главных претендентов на эффективное решение таких задач считаются квантовые системы, в частности машины квантового отжига компании D-Wave. Однако полноценные квантовые вычисления до сих пор остаются дорогими, сложными в масштабировании и малодоступными для массового использования.

Именно здесь корейские исследователи предлагают альтернативу – использовать обычные кремниевые транзисторы, но совсем не так, как это делается в современных процессорах.

Как решили эту проблему?

По мнению авторов проекта, историю транзисторов можно разделить на три больших этапа.

• Первый – когда транзисторы работали как электронные переключатели сигналов.
• Второй – когда их активно использовали как усилители.
• Третий этап, который якобы начинается сейчас, предусматривает использование транзистора как осциллятора – элемента, генерирующего колебания и взаимодействующего с другими такими же компонентами.

В основе новой системы лежит так называемая машина Изинга – специальная вычислительная модель, созданная на базе принципов статистической физики. Сначала модель Изинга использовали для описания магнитных свойств материалов и поведения атомов в кристаллических решетках.

Модель машины Изинга / Фото Science Advances

Главная идея заключается в том, что система естественным образом стремится перейти в состояние с наименьшими энергетическими затратами. Именно это состояние и соответствует оптимальному решению задачи.

В разработке KAIST роль вычислительных элементов выполняют осцилляторы, созданные на основе обычных кремниевых транзисторов. Они обмениваются сигналами, синхронизируют свои частоты и постепенно переходят в наиболее стабильное состояние. Таким образом, система фактически сама находит оптимальный результат без классического пошагового перебора всех вариантов.

Во время экспериментов исследователи проверили технологию на задаче максимального разреза графа – это одна из распространенных задач оптимизации, которую используют в логистике, финансовом анализе и проектировании полупроводниковых схем. По словам авторов работы, опубликованной в Science Advances, система продемонстрировала высокую точность и эффективность.

Одним из ключевых преимуществ технологии стала ее совместимость с современным КМОП-производством. Другими словами, для запуска таких систем не нужно создавать новые фабрики или переходить на экзотические материалы. Теоретически это позволяет интегрировать новую архитектуру в уже существующую полупроводниковую индустрию.

Что такое КМОП-производство?

КМОП-производство - это технология изготовления – это технология изготовления современных микросхем и процессоров. Аббревиатура "КМОП" означает "комплементарная структура металл-оксид-полупроводник". На английском – CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

Почему делать новые чипы все труднее и как это может измениться?

Разработка появилась в момент, когда классическое масштабирование транзисторов все сильнее упирается в физические ограничения. Из-за этого производителям процессоров становится все сложнее повышать производительность традиционными методами. На этом фоне альтернативные архитектуры вычислений все чаще рассматриваются как одно из главных направлений развития отрасли.

Авторы работы считают, что осцилляторные машины Изинга могут найти применение в сфере финансов, химии, материаловедения, логистики и статистической физики. В перспективе такие системы могут стать отдельным классом специализированных ускорителей для сверхсложных вычислений.

Что означает "третья эпоха транзисторов" для производителей чипов?

Идея "третьей эпохи транзисторов", которую предложили исследователи KAIST, фактически означает изменение самой философии развития полупроводниковой индустрии. Если десятилетиями производители чипов делали ставку на уменьшение размеров транзисторов и увеличение их количества, то теперь речь идет о поиске новых способов использования самих транзисторов, объясняет EurekAlert.

Особенно важно это на фоне того, что современные техпроцессы уже приближаются к физическим пределам миниатюризации. Производство передовых чипов требует все более сложных и дорогих технологий, а дальнейшее уменьшение транзисторов становится экономически менее эффективным.

Именно поэтому крупные игроки вроде TSMC, Intel и Samsung Electronics активно ищут альтернативные архитектуры вычислений.

Какие практические сценарии использования?

Несмотря на сложное научное описание, технология ориентирована на вполне практические задачи, с которыми ежедневно сталкиваются крупные компании и целые индустрии.

Одним из главных направлений называют логистику. Осцилляторные машины Изинга могут быстрее строить оптимальные маршруты для служб доставки, грузовых перевозок или авиакомпаний, пишет DongaScience. Это позволяет сокращать расходы топлива, время доставки и нагрузку на инфраструктуру.

У финансовой сфере подобные системы могут использоваться для формирования инвестиционных портфелей, анализа рисков и поиска наиболее эффективных стратегий распределения активов. Такие задачи часто требуют обработки огромного количества переменных одновременно.

Еще одно перспективное направление – проектирование микросхем. Современные процессоры состоят из миллиардов транзисторов, и оптимальное расположение элементов внутри чипа является чрезвычайно сложной задачей. Машины Изинга могут помочь автоматизировать и ускорить этот процесс.

Также технологию рассматривают для оптимизации телекоммуникационных сетей, распределения ресурсов в дата-центрах и систем искусственного интеллекта. В таких сценариях важно не только найти правильное решение, но и сделать это максимально быстро и с минимальным энергопотреблением.

В перспективе подобные ускорители могут использоваться даже в потребительской электронике – например, в системах автономного транспорта, "умных" фабриках или сервисах реального времени, где нужно мгновенно анализировать большое количество параметров и принимать оптимальные решения.