Живеем в силициевата ера, казва днешният ни гост. А следващите стъпки в развитието на начините, по които създаваме чипове, са свързани не само с напредъка ни в технологиите, но и с развитието ни като цивилизация.

Проф. Вихър Георгиев завършва докторантура в Оксфорд, а през последните години в Университета на Глазгоу преподава и води научни изследвания именно в тази област, от която зависи дали ще успеем да минем на следващото ниво. Дали ще намерим следващата парадигма, която ще ни позволи да запазим прословутото експоненциално развитие на изчислителната мощ на компютрите?

Професорът не само помага за създаването на следващото поколение чипове, но и за технологиите, които ще ни помогнат лабораторните изследвания да стигнат дотам, че с малък сензор да можем да научим толкова за жизнените си показатели и болестите в тялото ни, колкото днес не биха могли да ни кажат и най-модерните лаборатории.

Мускули, маса, силикон

Какво е да си професор по квантови нанотехнологии? Дори собствената му майка не е твърде наясно с това, което разработва проф. Вихър Георгиев. „Един ден ми се обади, за да се похвали: „Купила съм ти афтършейв, пише, че е с квантови технологии“, искаше да ме зарадва, защото точно с това се занимавам според нея.“

Колко пък да е квантов този афтършейв? Никак даже. Както казва професорът, днес по-скоро, ако чуем нещо за квантови или нанотехнологии, е много вероятно да става дума за непокрити със съдържание маркетингови изхвърляния.

С какво тогава се занимава той?

Може би сте чували за Силиконовата долина. Тя всъщност е в района на Димитровград у нас, а Силициевата долина в САЩ носи името си заради химичния елемент, който ни позволи дигиталните технологии да стигнат дотук. Да имам в джоба си компютри, способни на чудеса – да ни дават достъп до цялата информация на глобалната мрежа, да ни свързват с видео в реално време, да направят възможен изкуствения интелект.

Вихрено начало

Чиповете на основата на силиция се оказаха невероятно успешното решение, което ни помогна да развием информационните технологии с всичките им плюсове и несъвършенства. Те обаче са близо до предела си – вече създаваме изключително съвършени микроскопични полупроводници, транзистори, които упорито продължават да стават все по-добри. Сигурно ще се намерят доста хора, които ще коментират без особен ентусиазъм, но постоянното удвояване на изчислителната мощност през последните 5 десетилетия е факт, който няма как да бъде оспорен.

Напреднали сме в създаването на чипове до невероятни детайли. Затова и никак не е случайно, че преди няколко години стигнахме до прословутия недостиг – твърде малко се оказаха производителите, които умеят да правят скъпоценните молекули, изграждащи тялото на дигиталното ни общество.

Проблемът постепенно се урегулира. И сега на преден план излиза следващият огромен въпрос: технологично изглежда, като че ли сме „изстискали“ пълния потенциал на силициевите чипове, борим се за следващите проценти ефективност, дали не е дошло времето на следващата голяма стъпка, която да направи възможни следващите големи пробиви в света на информационните технологии?

Майор Вихър

Именно тук, във вихъра на събитията, идва моментът да поговорим с проф. Вихър Георгиев. Макар и химик по образование, през последните години той е посветил работата си именно на технологиите за разработване на следващите поколения чипове.

Във всяко устройство – телефона или компютъра ни, днес има поне няколко милиона транзистора – миниатюрни части, които извършват изчисленията. Ако си мислите, че темата е надценена, достатъчно е да споменем изострената обстановка през последните години между САЩ и Китай заради Тайван. Малкият остров се превърна в световен център в разработването на чипове, постепенно тази дейност се разви и задълбочи дотолкова, че по света са малко компаниите, които са способни да ги произвеждат.

Как са полезни в тази посока изследванията на проф. Георгиев? „Моята цел е да симулирам устройства, тези транзистори, за да разберем как работят и как можем да продължим нататък“, казва той. „Днес те са все по-малки, с размер 10 на минус 9 от метъра, около 100 000 пъти по-тънки от косъма, а там важат физични правила, които са много различни“.

Когато става дума за толкова миниатюрни мерни единици, основният проблем, който изниква, е измеримостта. „Българските калашници си работят, дори да има известно отклонение“, шегува се професорът. „Но при нанотехнологиите, ако имаш отклонение, всеки транзистор започва да работи по различен начин и да има различни характеристики. Тогава чипът, който се опитваш да направиш от него, не работи както трябва. В наноразмерите най-големият проблем е колкото се може да усредниш параметрите, да се предсказва как работи даден материал“. Това позволява да се създават чипове, които имат достатъчно стабилни параметри.

Всички сме нано!

И докато сме на темата за трудностите с наноразмерите, е време да споменем другата голяма посока в разработките на учения. Заради ковид лудостта (която бързо забравихме), всички вече знаем какво е PCR и какво бърз тест – два подхода за оценка дали сме заразени с модерното тогава заболяване.

Дали обаче не може да има по-ефективна технология? Чипове, които да ни позволяват не само да преценим дали човек е заразен с дадена инфекция, но и какво е общото му състояние, какви са другите му здравословни проблеми? Няма ли как и тук да се възползваме от факта, че живеем в силициевата ера?

В тази посока са друга част от разработките на днешния ни герой. „Мога да сложа някакво вещество на чипа и да се науча за какъв сигнал да гледам. Може пробата да е за ковид, а да искам да проследя и какви са нивата на кръвната захар. В една кръвна проба има много молекули и за всяка от тях е възможно да се разбере какво значи даден сигнал, какъв е нейният „пръстов отпечатък“.

Чип и Дейл

Тук проф. Вихър и екипът му включват машинното самообучение, което напоследък всички свикнахме да наричаме „изкуствен интелект“. Обикновеният анализ на данните се оказва недостатъчен, докато алгоритмите успяват да преценят по-точно кой знак от молекулите в пробите какво може да покаже.

„Идеята e да направим универсален апарат, който да измери всичко възможно в пробата кръв“, обяснява проф. Георгиев. „Обикновено, за да направиш кръвни изследвания, ти взимат кръв в епруветка, понякога по 200 мл. А с помощта на транзисторите цялото изследване може да се случва и минимална проба.

Това е така, защото през последните 50 години хората сме се усъвършенствали в това да създаваме съвършени чипове с миниатюрни размери. Вярвам, че скоро ще е възможно с една капка кръв да направя всички изследвания. Лабораторията за милиони долари, с машина колкото стая, да се превърне в биосензор с размерите на чип за телефон. Тогава ще имаме и персонализирана медицина“, убеден е проф. Вихър Георгиев.

Пускай транзистора!

Резултатите са достатъчно обещаващи, че да накарат професора да се насочи основно в тази посока на разработка с комерсиална цел. Той признава, че една от причините да избере тази следваща стъпка, е развитието на науката, което не му харесва. Би предпочел да продължава научната си работа, без да му се налага да навлиза в измеренията на бизнеса. Но във Великобритания – страната, която е избрал за своето професионално развитие, през последните години основен приоритет са военните технологии, за които се насочват най-сериозни средства.

„Заради войната сега във Великобритания парите отиват предимно за оръжие“, казва професорът. И продължава нататък с посоките на изследвания, в които работи. Квантови технологии, с чиято помощ да се създаде следващо поколение GPS навигация, което е много по-прецизно, не е свързано директно със сателитите. Използва гравитационното поле и това му позволява да работи на недостижими за момента с познатите ни технологии пространства, като например под земята или под водата.

Но, ако се върнем на чиповете, дали ще успеем да продължим нататък да изпълняваме закона на Мур?

„Много хора казват, че вече не успяваме, защото е икономически закон“, казва проф. Георгиев. „На всеки 18 месеца трябва да намаляваш два пъти парите, за да си по-конкурентен. Има го все още, ако отидеш да продаваш технологии. При процесорите вече говорим не за нанометри, а за ангстрьоми, една стъпка по-надолу. 10-10 метра. Стигаме до атомна прецизност на материалите и не знаем какво следва нататък“.

Според професора една от възможностите е силициевите чипове да бъдат надградени с възможностите на графена като следващ материал, който да позволи следващите стъпки. Днес в тази битка са останали малко компании – TSMC, Samsung, Intel и Global Foundaries, като първите две водят с няколко дължини пред останалите.

Да сменим чипа

Може би най-перспективната следваща стъпка е „нагоре“ – повечето транзистори до момента са плоски, а големите компании работят за това да се добави измерението нагоре, транзисторите да се подреждат един над друг. Въпреки че все още има твърде много въпроси за това как ще бъдат изградени въпросните блокчета, защото триизмерността идва със своите нови и неочаквани предизвикателства.

Друга голяма посока, както е ставало дума и тук, са квантовите компютри. Днешният ни гост, който е безспорен специалист по темата, е скептичен за тяхното скорошно развитие. Главно заради икономическите ограничения – до момента този тип технологии не успяват да провокират интереса на големите играчи в разработването на чипове, а всяка следваща технология идва не само заради успехите на учените, а и заради икономическия интерес. „Това е големият проблем за квантовите компании. TSMC не искат да работят за тях, защото им говорят за 100 000 чипа. Докато те работят с компании, за които произвеждат милиарди, милиарди чипове, като Apple“.

Още една от парадигмите на днешния ден са биокомпютрите. Проф. Георгиев е на мнение, че в тази посока също се задават новини, но в доста по-различен контекст.

Било компютър

„Нашият мозък, ако е биокомпютър, е хардуер, а софтуерът са книгите, които четем. Ние програмираме този хардуер по някакъв специфичен начин, за да свърши някаква работа. Имаме архитектурата, трябва да измислим алгоритми. Биокомпютърът трябва да е същото. Могат ли да се измислят алгоритми, с които да се програмира биокомпютър? Най-вероятно да. Какви проблеми може да се решават с този биокомпютър? Не знам. Най-вероятно ще има класически компютър за проблеми, които са много добре разработени през последните 50 години. А за конкретни напълно различни решения ще имаме биокомпютър, да кажем във фармацията, който ще симулира как молекулите си взаимодействат“.

А във всичко това ще изпуснем Закона на Мур, защото вече няма да сме способни да „изстискаме“ повече от силициевите чипове…

„Според мен нашият проблем е, че физиката и биологията – природата е една“, казва проф. Георгиев. „Но ние не разбираме достатъчно добре тази природа и затова имаме биология, химия, физика“.

Чипонос

Има ли шанс да разберем физиката на малкото по-добре, така че това да е следващият пробив, който да ни позволи да можем да правим още по-миниатюрни чипове от измеренията на ангстрьоми? „Да, има шанс. Хората постоянно се опитват. Но въпросът е, че както расте изчислителната мощност, така експоненциално се увеличават усилията, времето и парите, които са нужни за следващата стъпка“, казва професорът.

Затова все повече създаването на чипове заприличва на самолетостроенето. Докато едно време всяка страна е имала много производители, постепенно самолетите са станали толкова сложни, че пътническата авиация днес се крепи на две огромни компании – Boeing и Airbus. И това развитие никак не се оказа толкова успешно, когато стигнахме до следващите стъпки. През последните десетилетия самолетостроенето не постига някакви забележителни за обществото пробиви, дори обратното. Пробивите са в имиджа и в самите самолети.

Ако така се случи и с чиповете? Ако делегираме производството им на две световни компании, които лесно да стигнат до демонстративна конкуренция, която по-консервативните и пазарно настроени хора биха оприличили на картел?

„Най-вероятно в бъдеще ще стане същото. TSMC и Samsung ще правят иновации, които ще се случват на всеки 18 месеца, 3, 5 години. Все повече ще търсят откъде да изстискат 5-10% от производителността на даден материал“, казва професорът.

Ледена епоха

В обществения разговор по нашите ширини, през последните години определено сме свикнали да неглижираме науката. И затова е едновременно познато, но и странно, да слушам професора от другия край на континента, от държавата, който дори напусна формалния ни съюз, да говори за проблемите с финансирането. За това, че бюджетите се насочват не към важни посоки като следващите поколения чипове или шансове за диагностика на тежки заболявания, а в технологии за война…

„Според мен живеем в силициевата ера. Всичко покрай нас са полупроводници, искаме ли не, следващата компания на Мъск цели да ги сложи и в мозъка ни и вероятно ще успее. И да искаме, и да не го искаме, това е“. Но коя ли ще е следваща ера след силициева? „Кой да ти каже? Може би киборговата. Дано да не е биокомпютър в пълния смисъл на думата“, усмихва се ученият…

Във вихъра на събитията нямаме много време да се замисляме, да обсъждаме, да планираме далновидно. И аз смятам, че имаме късмета да живеем в най-добрите и интересни времена. Във епоха, когато трябва да взимаме важни решения за нас, като цивилизация и биологичен вид. А накъде ще продължим, все още зависи от всеки от нас.