Транзисторы, сверхпроводники и технологии передачи данных – в 2018 году исследователи и инженеры достигли выдающихся результатов во всех трех областях. Прорывы были настолько существенными, что, по мнению экспертов, уже скоро мы станем свидетелями появления на рынке серверов для ЦОД, работающих без генерации лишнего тепла.
Возникновение лишнего тепла в электронике обусловлено банальной потерей энергии. Этот якобы безобидный эффект вызывает сразу двое проблемы. Во-первых, потеря энергии, которая проявляется в виде тепла, уменьшает вычислительную мощность серверов – большая часть энергии исчезает в воздухе вместо того, чтобы использоваться при вычислениях. И, во-вторых, операторам и владельцам центров обработки данных, чтобы снизить температуру в ЦОД, нужно тратить приличные деньги на охлаждение всех своих серверов.
По обеим этим причинам (и некоторым другим, например, связанным с экологией, и долговечностью оборудования – электроника разрушается при длительном воздействии высоких температур), предпринимаются все более активные усилия по созданию максимально совершенных микросхем с прицелом на устранение потерь энергии.
И если ряд важных разработок, описанных ниже, будет реализован на практике, мы станем свидетелями выхода серверов на максимальную эффективность: машины станут холодными, и все подводимое к ним электричество будет тратиться исключительно на вычисления.
Эффективная работа транзисторов при комнатной температуре
Исследователи из Университета Монаш в Австралии и Министерства энергетики США, которые трудятся в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли, успешно продемонстрировали возможность использования висмутида натрия (Na3Bi) для создания транзисторов нового типа, которые могут «нести заряд практически без потерь при комнатной температуре». Другими словами, при эксплуатации таких транзисторов не будет происходить нагрев состоящей из них электроники.
Новый «экзотический и ультратонкий материал», как его описывают исследователи, представляет собой идеальную основу для топологического транзистора. Это означает, что материал обладает уникальными настраиваемыми свойствами. Такие транзисторы похожи на сверхпроводники, но, в отличие от сверхпроводников, их не нужно охлаждать.
Сверхпроводимость, обнаруженная в некоторых материалах, частично устраняет электрическое сопротивление за счет сильного охлаждения. В обычной ситуации упаковка большего количества транзисторов в устройства малого размера ведет к физическим ограничениям, связанным с охлаждением. Но топологическая электроника со сверхнизким энергопотреблением способна изменить ситуацию, являясь потенциальным ответом на растущую проблему потери энергии в современных вычислительных системах.
Спин электрона с магнитными данными
Другая группа исследователей из Университета Констанца в Германии работает над технологией, которая позволит избавить суперкомпьютеры от выделения тепла. Эта группа работает над транспортировкой электронов без производства тепла через использование все той же сверхпроводимости.
В статье, опубликованной на сайте университета, говорится следующее: «Магнитно закодированная информация, в принципе, может транспортироваться без тепловыделения, используя магнитные свойства электронов: спин электронов».
Термин «спинтроника», который исследователи используют при описании принципа работы новой технологии, касается внутреннего спина электрона. Он также связан с магнетизмом. Исследователи, грубо говоря, используют дополнительное измерение в электроне, обеспечивая тем самым повышение эффективности.
Давняя проблема заключается в том, что магнетизм и передача потока электрического тока без потерь «являются конкурирующими явлениями, которые не могут сосуществовать». Эта проблема связана с тем, что пары электронов в процессе становятся немагнитными и, следовательно, принципиально не могут нести магнитно-закодированную информацию.
Однако исследователи говорят, что придумали способ обхода этого ограничения. Они связывают пары электронов, используя «специальные магнитные материалы» и сверхпроводники. В статье университета говорится, что «электроны с параллельными спинами могут быть связаны с парами, несущими сверхток на большие расстояния через магниты». Другими словами, неразогревающая сверхпроводящая спинтроника теперь, по сути, может заменить принципиально горячую полупроводниковую технологию.
Низкотемпературные радиопередатчики могут заменить кабельные каналы в центрах обработки данных
Исследователи Технологического института Джорджии в США считают, что будущее беспроводное сетевое оборудование на базе сетей стандарта 5G, может заменить традиционные кабельные каналы в дата-центрах, улучшая энергетическую эффективность ЦОД.
По словам исследователей, будущее беспроводное сетевое оборудование на базе 5G для центров обработки данных объединит антенны, передатчики и приемники в один микропроцессорный блок. Интеграция всех беспроводных элементов, необходимых для радиосвязи, уменьшит потери тепла и обеспечит лучшую модуляцию, а также приведет к увеличению скорости передачи данных.
