Конца света, кажется, так и не случилось, но назвать 2012-й, что вот-вот закруглится, простым для отрасли информационных технологий нельзя. 

Спад темпов роста наблюдается во многих секторах, включая рынки сотовых аппаратов, видеоигр, серверов, графических чипов, процессоров с архитектурой х86 и полупроводниковых микросхем. Сегмент персональных компьютеров, по прогнозам, и вовсе окажется в «минусе», чего не случалось с 2001-го! Нестабильная экономическая обстановка, колебания курсов валют, стихийные бедствия и финансовые скандалы привели к банкротству нескольких заметных ИТ-компаний. К счастью, всё это не значит, что технический прогресс остановился. А потому давайте поговорим о самых значимых, на наш взгляд, достижениях года…

Фото William Whitehurst / Corbis.

Процессоры и их перспективы

Начало 2012-го было приятным: на рынок вышли первые чипы Intel, изготовленные по 22-нанометровой технологии, — изделия Core третьего поколения (Ivy Bridge). Но куда важнее то, что Ivy Bridge — первые решения, выполненные по методике Tri-Gate: эта технология, которую называют «транзисторами с трёхмерной структурой», открывает новые пути к улучшению производительности и энергопотребления. Затем последует 14-нанометровая методика. Но можно ли заглянуть дальше? Есть ли у CPU-рынка более долгосрочные перспективы?

Традиционная кремниевая микропроцессорная техника (спасибо вам, инновации) уменьшалась в размерах и повышала производительность четыре с лишним десятилетия. Наше всё, кремниевые транзисторы, эти крошечные коммутаторы, обеспечивающие передачу информации в чипе, достигли такой миниатюрности, что начинают мешать повышению быстродействия (спасибо вам, структура кремния и законы физики). Ещё несколько этапов классического уменьшения технологических норм, и потенциал улучшения характеристик чипов будет исчерпан.

К решению проблемы приблизились специалисты IBM, которым удалось сформировать самый маленький из когда-либо созданных транзисторов на углеродных нанотрубках (CNT) — всего 9 нм. Благодаря своим свойствам углеродные нанотрубки считаются более перспективным материалом для создания наноразмерных транзисторных элементов, нежели кремний. Электроны в углеродных транзисторах могут перемещаться с большей лёгкостью, что, понятно, позволяет быстрее передавать данные. Нанотрубки идеально подходят по форме для транзисторов на атомарном уровне, что также считается преимуществом по сравнению с кремнием.

Подложка с углеродными нанотрубками IBM (фото корпорации).

Иными словами, в микрочипах будущих компьютерных систем кремний, скорее всего, уступит место углеродным нанотрубкам. Эру таких процессоров — сверхбыстрых и энергоэффективных — приближает ещё одно недавнее достижение IBM: впервые удалось точно разместить на подложке и протестировать более 10 тыс. элементов из углеродных нанотрубок в одном чипе с использованием существующих базовых полупроводниковых производственных процессов. Метод основан на ионообменной химии: отдельные нанотрубки можно с контролируемой точностью позиционировать на кристалле чипа с показателем плотности около миллиарда на квадратный сантиметр.

А пока IBM вся ушла в технологии производства транзисторов на углеродных нанотрубках, другие исследователи ищут иные способы улучшения характеристик чипов. Так, в Университете Райса (США), спроектирован революционный «неточный» процессор, которому свойственно… ошибаться при расчётах. Он может найти применение в областях, допускающих некоторые погрешности в вычислениях; при этом за счёт неточностей можно добиться двукратного выигрыша в быстродействии и энергопотреблении.

Что происходит с сегментом процессоров для мобильных устройств (смартфонов и планшетов)? Он не только «стремительно растёт», но и, кажется, монополизируется: в ближайшие годы господству ARM вряд ли что-то будет угрожать. На 2013-й вывод на рынок решений следующего поколения наметили компании Qualcomm (платформа Snapdragon S4), nVidia (Tegra четвёртого поколения) и др. Ожидается появление первых мобильных процессоров с восемью ядрами (четыре основных и четыре вспомогательных низковольтных) на архитектуре ARM big.LITTLE. Кстати, «Интел» изучает перспективы выпуска чипа для портативных устройств, имеющего 48 (!) ядер. Правда, если такое изделие и появится, то не раньше, чем через пять–десять лет.

Из наиболее заметных «процессорных» событий в области высокопроизводительных вычислений выделим появление карт Intel Xeon Phi на платформе Many Integrated Core (MIC): они объединяют обычные х86-совместимые ядра со специализированными ядрами для повышения эффективности параллельных вычислений. Быстродействие превышает 1 терафлопс (триллиона операций с плавающей запятой в секунду) при расчётах с двойной точностью.

Подытоживая, отметим, что в 2013 году ведущие производители — AMD и Intel — продолжат выпуск гибридных чипов со встроенным графическим контроллером, а также х86-совместимых серверных изделий. Несмотря на попытки этих компаний закрепиться на рынке планшетов, доминирующей здесь платформой (как и на рынке смартфонов) останется ARM. Ну а появления качественно новых процессоров, в частности с транзисторами на углеродных нанотрубках, придётся подождать в лучшем случае до второй половины десятилетия.

Память и накопители

В 2012-м продолжили входить в силу твердотельные накопители на флеш-памяти NAND. Устройства SSD всё чаще играют роль системного диска в настольных компьютерах (в дополнение к традиционному винчестеру, служащему для хранения данных) и нередко являются единственно возможным выбором для пользователей ультрабуков, популярность которых, к слову сказать, пока относительно невысока. Цены на бюджетные твердотельные накопители в пересчёте на 1 Гб ёмкости с 2010 года сократились в среднем втрое, «пробив» отметку в $1, а поставки по сравнению с 2011-м поднялись на 70%. И всё-таки не все верят в безоблачное будущее SSD. И вот почему.

Главная проблема флеш-памяти NAND — недолговечность: ячейки деградируют всякий раз, когда на них подаётся напряжение. И хотя недавно был предложен способ самовосстановления флеш-памяти путём термического отжига (непродолжительное повышение температуры до 800 ˚C), на практике проблема, скорее всего, никуда не денется. Поэтому более перспективным является переход на новые типы памяти, в числе которых рассматриваются PRAM (энергонезависимая память на основе фазового перехода), ReRAM (резистивная память с произвольной выборкой), а также MRAM (магниторезистивная память с произвольным доступом). Причём в 2012-м по всем этим направлениям наметились серьёзные сдвиги.

Так, японская Ассоциация по созданию энергоэффективной электроники (LEAP) разработала модель PRAM, которая позволяет существенно снизить напряжение, необходимое для осуществления перезаписи информации, и расширить рабочий температурный диапазон. Как следствие становятся возможными миниатюризация ячеек PRAM-памяти до уровня ёмкости современных NAND-носителей и улучшение эксплуатационных характеристик. Плюс к тому количество циклов перезаписи ячеек PRAM достигает 107 против 10–100 тыс. у NAND.

Достижения специалистов, занимающихся ReRAM, включают разработку энергонезависимых прозрачных микросхем памяти на мемристорах, а также создание первого в мире чипа на основе оксида кремния, способного функционировать при обычных условиях (а не в вакууме, как другие подобные изделия). Кроме того, предложен способ получения трёхмерных ячеек ReRAM большой ёмкости с низким током перезаписи информации и количеством циклов перезаписи до 107 (как у PRAM). Некоторые исследователи предлагают применять ReRAM в качестве кеша в гибридных SSD-накопителях.

Ну а разработчикам MRAM-памяти, хранящей информацию при помощи магнитных моментов, удалось создать прототип микрочипа с рекордно низким энергопотреблением. Это, к примеру, делает возможным использование MRAM в качестве альтернативы статической памяти с произвольным доступом (SRAM) в кеше мобильных процессоров для смартфонов и планшетов.

Таким образом, вполне можно предположить, что в 2013–2014 годах на массовом рынке появятся устройства хранения данных нового типа, что потеснят NAND. Впрочем, в любом случае «борьба» с флеш-памятью не будет одномоментной и затянется на многие годы — слишком уж широко она распространена. К тому же для перехода на накопители следующего поколения придётся убедить потребителей в их целесообразности и получаемых при этом выгодах. Как всегда, не последнюю роль сыграет и цена.

Наконец, ни в коем случае нельзя сбрасывать со счетов традиционные винчестеры, спрос на которые остаётся устойчивым, несмотря на возросшие после стихийных бедствий в Таиланде цены. До предела плотности записи винчестеров ещё очень далеко, а один из новых способов улучшения характеристик HDD заключается в заполнении герметичного блока, в котором размещены механические части, гелием, обладающим в семь раз меньшей плотностью по сравнению с воздухом. Хорошая теплопроводность гелия позволяет снизить нагрев дисков — а значит, повысить плотность записи и увеличить число пластин. Ожидается, что в 2013 году вместимость 3,5-дюймовых винчестеров вырастет до 6 Тб против 4 Тб, максимально возможных сегодня. Кроме того, в ближайшее время ожидается появление гибридных терабайтных винчестеров толщиной в 5 мм, кои идеально подойдут для ультрабуков и планшетов, где возможности по наращиванию постоянной памяти ограничены.

Продолжаются разработки оптических носителей информации большой ёмкости. Предлагаемые методы могут быть разными — от использования эффекта двухфотонного поглощения до применения оптической плёнки на основе специального полимерного материала, но суть всегда одна: формирование большого количества слоёв (с одной или двух сторон диска) суммарной вместимостью 1 Тб и более. Предполагается, что такие носители выйдут в 2015 году, хотя, конечно, их общие перспективы сомнительны. Вспомним, что прототипы терабайтных оптических дисков появились ещё два года назад, но рынок их так и не увидел.

В уходящем году завершилась разработка стандарта памяти DDR4 SDRAM, которая по сравнению с предыдущими поколениями DDR отличается повышенными частотными характеристиками и пониженным напряжением питания. Внедрение DDR4 на рынках корпоративного оборудования, микросерверов и портативных устройств начнётся в 2013-м, хотя образцы модулей этого типа уже доступны. Кстати, в качестве альтернативы DRAM предложена память нового типа A-RAM, в ячейках которой нет конденсаторов. Технология позволит улучшить ключевые характеристики модулей ОЗУ: скорость работы, энергопотребление и ёмкость.

Дисплеи и мониторы

Компания Apple, начав оснащать свои смартфоны, планшеты и ноутбуки панелями Retina, фактически задала моду на высококачественные дисплеи для мобильных устройств. На рынке уже представлен далеко не один мини-компьютер с разрешением тачскрина «как у iPad» (2048×1536 точек), а разработчики коммуникаторов в этом году впервые применили экраны формата Full HD (в 2013-м ожидается нашествие таких аппаратов).

Не меньший интерес представляют полноцветные мобильные дисплеи на органических светодиодах (OLED), способные к деформации. Использование таких панелей приведёт к появлению гаджетов новых формфакторов, позволит придать гибкость устройствам, повысить их ударопрочность и устойчивость к внешним воздействиям. Несмотря на то что прототипы гибких экранов уже существуют, на рынке их пока нет. Но переворот не за горами: гаджеты с деформируемыми OLED-дисплеями обещают представить в первой половине 2013-го. Что касается OLED-панелей большего размера, то разработчикам покорилась диагональ в 55 дюймов.

Кстати, 2012-й положил начало производству дисплеев нового типа для мобильных устройств и мониторов. Речь идёт о технологии IGZO, то есть о транзисторах на основе оксида индия, галлия и цинка (Indium Gallium Zinc Oxide). Ключевые особенности IGZO-устройств — великолепная цветопередача, небольшое энергопотребление и высокое разрешение. К примеру, Sharp, которая первой и начала выпуск таких экранов, разработала 32-дюймовый монитор с разрешением 3840×2160 пикселов (вчетверо выше по сравнению с Full HD!).

И несколько слов о средствах формирования 3D-изображения. Пока одни исследователи ищут способы избавления пользователей от назойливых очков, российские специалисты создали стереоскопический экран, подстраивающийся под зрителя. Предложенная система использует средства слежения за положением глаз человека, а также линзы и микропроекторы для отображения многоракурсной 3D-картинки для каждого пользователя индивидуально.

Какие ещё новинки и достижения ждут нас в 2013-м? Поживём — увидим.