Компания Arm провела в Сан-Хосе конференцию Arm TechCon, на которой представила решения, а также инициативы в рамках так называемой «5-й волны вычислений» - где сходятся AI, IoT, 5G и возникающие в результате этого новые модели потребления данных.

Одним из основных моментов конференции этого года стало представление нового подхода Total Compute к IP-дизайну, который, по словам компании, позволит сконцентрировать внимание на производительности, безопасности и доступу разработчиков к инструментам, позволяющим развивать цифровой опыт в таких областях, как AI, XR и IoT. По заявлению Arm, новый подход - это сдвиг в сторону большего количества вариантов использования ее платформы за счет оптимизации IP, программного обеспечения и инструментов компании. Для достижения этого компани предлагает свои инструменты Arm NN и Arm Compute Library, а также поддержку открытых стандартов и сообщества open source.

Arm продолжает делать ставку на оптимизацию использования своих чипов под задачи машинного обучения. Так ее процессор следующего поколения, Matterhorn, сможет удвоить производительность машинного обучения по сравнению с предыдущими поколениями.

В рамках Total Compute внедряются также новые подходы к безопасности, которая состоит из трех различных уровней: безопасность приложений (защита приложений и данных), безопасность внутри процесса (обнаружение и обеспечение защиты от уязвимостей), и, наконец, безопасность платформы. Последняя, по словам Arm, дефрагментируется с помощью «прозрачных и доступных стандартов безопасности».

Arm анонсировала Project Cassini, свой новый эталонный дизайн для граничных вычислений, включая рекомендуемое оборудование, программное обеспечение и безопасность. Arm говорит, что Project Cassini поможет обеспечить безопасную облачную среду в разнообразной пограничной экосистеме путем создания стандартов платформ и эталонных систем. Как часть этого, Arm объявила, что расширяет свою архитектуру безопасности платформы от ограниченных устройств до устройств IoT и края инфраструктуры.

Одним из важных анонсов первого дня мероприятия стал запуск Autonomous Vehicle Computing Consortium, или AVCC, группы, объединенной целью создания общей вычислительной платформы для автономных транспортных средств. Кроме Arm, членами-учредителями являются такие компании, как Bosch, Continental, DENSO, General Motors, NVIDIA, NXP Semiconductors и Toyota. Посредством сотрудничества консорциум стремится ускорить широкомасштабное появление безопасных и доступных автономных транспортных средств. По словам группы, первым этапом пути является разработка набора рекомендаций для архитектуры системы и вычислительной платформы, которая учитывает как специфические требования к транспортному средству, так и требования к производительности автономных систем.

Кроме того, Arm объявила о расширении сотрудничества с Unity Technologies, предлагающей 3D-инструменты для разработчиков видеоигр. Эта компания в настоящее время также отвечает за 70% контента VR, доступного сегодня. Обе компании будут совместно работать над оптимизацией производительности на кремниевой основе на базе Arm - SoC, CPU и GPU - для платформы 3D-разработки Unity в реальном времени.

CEO Arm Саймон Сегарс открывает 15-ю конференцию Arm TechCon

Исследователи из KU Leuven и IMEC успешно разработали новую технику для изоляции микрочипов. В технике используются металлоорганические каркасы, новый тип материалов, состоящий из структурированных нанопор. В долгосрочной перспективе этот метод может быть использован для разработки еще более компактных и более мощных чипов, которые потребляют меньше энергии.

Компьютерные чипы становятся все меньше. Это не ново: Гордон Мур, один из основателей производителя микросхем Intel, уже предсказывал это в 1965 г. Закон Мура гласит, что число транзисторов в микросхеме или интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. Этот прогноз был позже скорректирован до 18 месяцев, но теория все еще остается в силе. Микросхемы становятся меньше, а их вычислительная мощность увеличивается. В настоящее время чип может иметь более миллиарда транзисторов.

Но это продолжающееся уменьшение размера также несет с собой ряд препятствий. Переключатели и провода собраны вместе настолько плотно, что создают большее сопротивление. Это, в свою очередь, заставляет чип потреблять больше энергии для отправки сигналов. Чтобы иметь хорошо функционирующую микросхему, необходимо изолирующее вещество, которое отделяет провода друг от друга и гарантирует, что электрические сигналы не будут нарушены. Однако на наноразмерном уровне это сделать нелегко.

Исследование, проведенное профессором кафедры микробных и молекулярных систем KU Leuven проф. Робом Амелоотом (Rob Ameloot), показывает, что решение может дать новая методика. «Мы используем металлоорганические каркасы (MOF) в качестве изолирующего вещества. Это материалы, которые состоят из ионов металлов и органических молекул. Вместе они образуют нанопористый, но прочный кристалл».

Впервые исследовательской группе в KU Leuven и IMEC удалось применить изоляцию MOF к электронным материалам. Для этого был использован промышленный метод химического осаждения из паровой фазы, говорит д-р Михаил Криштаб (отдел микробных и молекулярных систем). «Сначала мы помещаем оксидную пленку на поверхность. Затем мы позволяем ей реагировать с парами органического материала. Эта реакция заставляет материал расширяться, образуя нанопористые кристаллы», - пояснил он.

«Основным преимуществом этого метода является то, что он реализуется снизу вверх, - говорит Криштаб. - Сначала мы наносим оксидную пленку, которая затем набухает до очень пористого материала MOF. Вы можете сравнить ее с суфле; он разбухает в духовке и становится очень легким. Материал MOF образует пористую структуру, которая заполняет все промежутки между проводниками. Именно поэтому мы знаем, что изоляция является полной и однородной. При использовании других методов, направленных сверху вниз, всегда существует риск небольших зазоров в изоляции».

«Мы показали, что материал MOF обладает правильными свойствами, - продолжает Амелоот. - Теперь нам просто нужно улучшить окончательную обработку. На данный момент поверхность кристаллов по-прежнему нерегулярна. Мы должны сгладить ее, чтобы интегрировать материал с чипом».

После того, как техника будет усовершенствована, ее можно использовать для создания мощных маленьких чипов, которые потребляют меньше энергии.: «Различные приложения искусственного интеллекта требуют большой вычислительной мощности. Подумайте о машинах с самостоятельным управлением и об умных городах. Технологические компании постоянно ищут новые решения, которые бывают быстрыми и энергоэффективными. Наши исследования могут стать ценным вкладом в новое поколение чипов», - добавил проф. Амелоот.

Объемное расширение, сопровождающее процесс конверсии оксида в MOF, обеспечивает бесшовное заполнение наноразмерных траншей

Предлагается новый тип памяти процессора. Однако на настоящий момент кремниевого прототипа нет – это просто исследовательская работа и много надежд.

Недавно Intel опубликовала исследование, в котором подробно описывается новый тип компьютерной памяти, специально предназначенный для защиты от спекулятивных атак по побочным каналам, таких как Meltdown, Spectre, L1TF, SGXSpectre, SWAPGSAttack, Zombieload, MDS и другие.

Атаки по побочному каналу спекулятивного выполнения представляют собой уязвимости в том, как процессор обрабатывает спекулятивное выполнение, - процесс, посредством которого процессоры заранее выполняют вычисления и отбрасывают ненужные данные.

В течение многих лет спекулятивное выполнение рассматривалось как один из лучших способов оптимизации процессоров и повышения их производительности. Но с 2017 года ученые начали находить трещины в процессе спекулятивного выполнения, с помощью которых злоумышленники могли извлекать конфиденциальные данные, обрабатывающиеся в памяти (кэше) процессора.

Процессоры Intel были в наибольшей степени затронуты этими проблемами, так как компания вложила значительные средства в повышение производительности процессора посредством спекулятивного выполнения. Производитель ЦП отреагировал на эти ошибки, добавив ряд аппаратных средств защиты к своим будущим ЦП и выпустив программные исправления для более старых серий.

Но в недавно опубликованной исследовательской работе Intel предложила SAPM - или память с защитой спекулятивного доступа. Это новый тип памяти, которой Intel хотела бы заменить нынешнюю систему памяти процессора.

SAPM - это разработка Intel STORM (STrategic Offensive Research & Mitigations) команды элитных исследователей безопасности, которую Intel собирает с 2017 года, чтобы работать над созданием средств защиты от всех атак спекулятивного выполнения, которые повлияли на продукты производителя процессоров.

SAPM пока только идея, и пока не имеет кремниевых прототипов. Инженеры Intel STORM только выпустили «теорию и возможные варианты реализации», чтобы обеспечить «базу для совершенствования других исследователей, а также для отрасли».

Инженеры сказали, что начали работать над SAPM в качестве альтернативы существующим мерам по снижению уровня аппаратного и программного обеспечения.

Исследователи Intel STORM утверждают, что SAPM внедрит защиту на аппаратном уровне и будет работать как с физическими, так и с виртуальными адресами памяти.

«SAPM может быть применена к определенным диапазонам памяти с атрибутом, согласно которому любой доступ к памяти такого типа будет сериализован на уровне команд. Это означает, что любое спекулятивное выполнение, кроме инструкции доступа к SAPM, будет остановлено в ожидании успешного удаления этой инструкции доступа к SAPM», - рассказали разработчики Intel STORM в своем кратком описании основных принципов SAPM.

Исследователи говорят, что их «предложение обеспечивает большую гибкость для программного обеспечения», перемещая большую часть механизма, который предотвращает атаки на спекулятивные выполнение, на аппаратный уровень.

Идея состоит в том, что большинство спекулятивных атак по побочному каналу выполнения можно разделить на две части: часть внешнего интерфейса кода эксплойта и его внутренний компонент.

Исследователи Intel STORM говорят, что вторая часть (backend) большинства атак на спекулятивное выполнение делают те же действия. SAPM был разработан для внедрения аппаратной защиты от внутреннего компонента большинства атак.

Именно из-за этой концепции исследовательская группа Intel полагает, что SAPM будет также защищать будущие поколения процессоров Intel от других, в настоящее время не обнаруженных, атак на спекулятивное выполнение.

Но идея введения новых мер защиты всегда будет поднимать вопросы о снижении производительности процессора. Исследователи Intel STORM не отрицают, что производительность снижается. Однако, это влияние невелико и может быть дополнительно смягчено путем отказа от других существующих средств защиты.

«Несмотря на то что затраты на производительность для каждого доступа к памяти в SAPM относительно велики, учитывая, что такие операции должны составлять лишь очень небольшую часть общего выполнения программного кода, ожидается, что общие накладные расходы на производительность будут низкими и, возможно, будут меньше, чем влияние текущих мер по снижению производительности» - отметили исследователи.

Железные материалы на краю хаоса могут быть использованы для создания электронных мозгоподобных систем для сложных вычислений.

Явление, хорошо известное из теории хаоса, впервые было обнаружено в материале учеными из Университета Гронингена, Нидерланды.

Структурный переход в ферроэластичном материале титаната бария, вызванный повышением или понижением температуры, напоминает периодическое удвоение, наблюдаемое в нелинейных динамических системах. Этот «пространственный хаос» в материале был впервые предсказан в 1985 году и может быть использован в таких приложениях, как адаптируемая нейроморфная электроника.

Команда физиков из Университета Гронингена во главе с профессором функциональных наноматериалов Беатрис Ноэда (Beatriz Noheda) сделала свое наблюдение в тонких пленках титаната бария (BaTiO3), сегнетоэластичного материала.

В кристаллах электрические или магнитные диполи выровнены внутри доменов. Однако диполи могут быть направлены вверх или вниз, так как оба состояния эквивалентны. В результате кристаллы этих материалов будут иметь оба типа доменов. То же самое относится и к ферроэластичным материалам, лучше всего известным своей памятью формы. В этом случае, однако, ситуация немного сложнее, объясняет Ноэда: «Элементарные ячейки в этих кристаллах вытянуты, что означает, что домены разных элементарных ячеек плохо совпадают по форме. Это создает упругую деформацию, которая снижает стабильность кристалла».

Кристалл может улучшить стабильность естественным путем, образуя двойные домены, которые слегка наклонены в противоположных направлениях, чтобы снять напряжение. В результате получается материал, в котором эти двойниковые пары образуют чередующиеся домены с фиксированной периодичностью. Нагревание вызывает изменение фазы в материале, при котором изменяется как направление, так и периодичность доменных стенок. «Вопрос состоял в том, как происходит это изменение, - говорит проф. Ноэда.

Повышение температуры увеличивает беспорядок (энтропию) в материале. Таким образом, перетягивание каната начинается между внутренней тенденцией порядка и возрастающей энтропией. Именно этот процесс впервые наблюдался командой Гронингена с использованием атомно-силовой микроскопии. При нагревании образцов от 25 до 70 ° С происходит фазовый переход, изменяющее положение доменных стенок. Когда начинается переход, доменные стенки новой фазы появляются постепенно, и обе фазы существуют вместе при промежуточных температурах (от 30 до 50 ° C). Это происходит не случайным образом, а путем повторного удвоения. Охлаждение материала уменьшает периодичность доменов путем многократного деления пополам.

«Это удвоение или деление пополам хорошо известно в нелинейных динамических системах, когда они близки к переходу к хаотическому поведению, - объясняет проф. Ноэда, - однако оно никогда не наблюдалось в пространственных областях, а только во временных периодах». Сходство между поведением тонких пленок и нелинейных систем позволяет предположить, что сам материал находится на краю хаоса во время нагревания.

Сегнетоэлектрический материал на краю хаоса может дать очень разнообразный отклик в небольшом диапазоне входных напряжений. «Это именно то, что вы хотите, чтобы создать тип адаптивного ответа, необходимого для нейроморфных вычислений, таких как резервуарные вычисления, которые выигрывают от нелинейных систем», - отметила она.

Проф. Ноэда также указывает, как удвоение доменов создает структуру, похожую на бифуркационные дендриты, соединяющие пирамидные клетки в мозге. Эти клетки играют важную роль в когнитивных способностях. В конечном счете, железные материалы на краю хаоса могут быть использованы для создания электронных мозгоподобных систем для сложных вычислений.

Исследователи из Университета Ватерлоо разработали более дешевый и эффективный способ получения высокоскоростного беспроводного подключения для устройств Интернета вещей.

Ожидается, что к 2025 году будет установлено 75 миллиардов устройств Интернета вещей (IoT), и все больше будет требоваться наличие беспроводных сетей. Исследователи подчеркнули, что современных Wi-Fi и сотовых сетей будет недостаточно для поддержки наплыва устройств IoT.

Миллиметровый диапазон (mmWave) предлагает нелицензированную полосу пропускания в несколько гигагерц - более чем в 200 раз больше, чем выделяется для современных сетей Wi-Fi и сотовой связи, может быть использован для решения этой проблемы. На самом деле, сети 5G будут работать на основе технологии mmWave. Однако оборудование, необходимое для использования mmWave, является дорогостоящим и энергоемким, что является существенным сдерживающим фактором для его развертывания во многих приложениях IoT.

«Чтобы решить существующие проблемы в использовании mmWave для приложений IoT, мы создали новую сеть mmWave под названием mmX, - сказал Омид Абари (Omid Abari), доцент в Школе компьютерных наук Дэвида Р. Черитона из Waterloo. - mmX значительно снижает стоимость и энергопотребление сети mmWave, позволяя использовать ее во всех приложениях IoT».

По сравнению с Wi-Fi и Bluetooth, которые медленны для многих приложений IoT, mmX обеспечивает намного более высокую скорость передачи данных.

«mmX не только улучшит наши возможности Wi-Fi и беспроводной связи, поскольку мы получим гораздо более быстрое подключение к Интернету для всех устройств IoT, но также может использоваться в приложениях, таких как виртуальная реальность, автономные автомобили, центры обработки данных и беспроводные сотовые сети, - сказал Али Абеди (Ali Abedi), научный сотрудник Черитонской школы компьютерных наук. - Любой датчик, который у вас есть в вашем доме, который традиционно использовал Wi-Fi и более низкую частоту, теперь может обмениваться данными с помощью высокоскоростных сетей миллиметрового диапазона. В автономных автомобилях также собираются использоваться огромное количество датчиков, которые будут подключаться по проводам; теперь их можно сделать беспроводными и более надежными».

Исследование «Сеть миллиметровых волн для миллиардов вещей», выполненное учеными математического факультета Ватерлоо Абари и Абеди и ассистентами Мохаммедом Мазахери (Mohammed Mazaheri) и Сорушем Амели (Soroush Ameli), было недавно представлено на конференции ACM SIGCOMM 2019.

Компания Google сказала, что ее квантовый компьютер превзошел обычные модели. Он выполнил задание за 200 секунд, на которое потребовалось бы самому быстрому суперкомпьютеру в мире 100 000 лет.

На прошлой неделе Google неожиданно вошла в историю компьютерных наук. В последние годы компания стала участником усиливающейся конкуренции с компаниями, такими как IBM и Intel, в области разработки квантовых компьютеров. Поисковая компания попыталась выделиться, заявив, что ее прототипы квантовых процессоров близки к демонстрации «квантового превосходства». Один из ведущих исследователей Google предсказал, что компания достигнет этого рубежа в 2017 году.

В пятницу вышли новости о том, что Google достиг этого рубежа. Financial Times обратила внимание на черновой исследовательский документ, который был незаметно размещен на веб-сайте NASA, на котором исследователи Google описывают достижение квантового превосходства.

Эксперты впечатлены подвигом Google. Джон Прескилл (John Preskill), профессор Caltech, который ввел термин «квантовое превосходство» в 2011 г., называет это «действительно впечатляющим достижением в экспериментальной физике». Но он и другие эксперты, и даже собственная статья Google, предупреждают, что результат не означает, что квантовые компьютеры готовы к практической работе.

«Проблема, которую их машина решает с поразительной скоростью, была тщательно выбрана только для того, чтобы продемонстрировать превосходство квантового компьютера», - говорит проф. Прескилл. Неясно, сколько времени потребуется квантовым компьютерам, чтобы стать коммерчески полезными; взломать шифрование - теоретическое использование технологии - остается далекой надеждой.

Google и другие работают над квантовыми компьютерами, потому что они обещают сделать тривиальными определенные проблемы, которые непрактично долго решают обычные компьютеры. Этот подход направлен на то, чтобы использовать математику, лежащую в основе квантово-механических странностей, таких как то, что фотоны могут вести себя как волны и частицы одновременно. В 1990-х годах исследователи показали, что это может дать новый мощный способ обработки чисел. Интерес к этой области резко возрос после того, как исследователь из Bell Labs разработал алгоритм, который квантовый компьютер может использовать для взлома длинных ключей шифрования, показывая, как технология может превзойти обычные машины.

Google, IBM, Intel, Microsoft и несколько стартапов с тех пор значительно увеличили инвестиции в квантовые вычисления. Это сделало чувство момента квантового превосходства неизбежным. «Это то, чего мы ожидали, возможно, раньше, чем позже», - говорит Джонатан Доулинг (Jonathan Dowling), профессор Университета штата Луизиана.

Одной из причин такого ожидания были собственные высказывания исследователей Google. В 2017 г. Джон Мартинис (John Martinis), который возглавляет исследование квантового оборудования компании, предсказал, что его команда достигнет превосходства к концу этого года. Google, IBM и Intel представили квантовые процессоры с примерно 50 кубитами. Как ожидают эксперты, для демонстрации квантового превосходства этого количества будет достаточно.

Сила квантового процессора заключается в том, что кубиты могут также достичь состояния, называемого суперпозицией, которое представляет собой сложную и откровенно запутанную комбинацию как 1, так и 0.

Суперпозиция позволяет набору кубитов на квантовом процессоре выполнять намного больше, чем эквивалентное число обычных бит, по крайней мере, для некоторых задач. На уровне около 50 кубитов даже крупнейшему суперкомпьютеру становится трудно симулировать то, что могут делать кубиты.

В статье Google говорится, что такому суперкомпьютеру, как Summit, потребовалось бы около 10 000 лет, чтобы сделать то, что квантовый процессор Sycamore сделал за 200 секунд.

Как отмечает Прескилл, этот тест был неравным. Google тщательно выбрала проблему, естественно подходящую для ее квантового оборудования, и пишет в своей статье, что «технические скачки» все еще необходимы для реализации перспектив квантовых вычислений. Доулинг и другие считают, что потребуются миллионы высококачественных кубит-устройств, чтобы поставить под угрозу шифрование благодаря сложности используемых алгоритмов.

Скотт Ааронсон (Scott Aaronson), профессор Техасского университета, отказался комментировать особенности статьи Google, пока она не будет официально опубликована. Но он говорит, что подтвержденная демонстрация превосходства все еще будет полезным маркером.

Полезные вещи, которые, по словам Google и ее конкурентов, могут сделать квантовые компьютеры, - это улучшение химического моделирования для таких приложений, как разработка аккумуляторов, поиск лекарств и стимулирование машинного обучения.

Насколько близки квантовые компьютеры к выполнению любой из этих задач, неясно. Дарио Джил (Dario Gil), директор IBM по исследованиям выразил обеспокоенность тем, что термин «превосходство» может привести к завышенным ожиданиям за пределами разреженного мира исследований в области квантовых вычислений. «Нам нужно создавать машины, которые имеют большую практическую ценность, а это не сейчас или в следующем году, - говорит он. - Это займет некоторое время».

Новый подход может позволить параллельные вычисления со светом.

Даже самые мощные компьютеры все еще не соответствуют человеческому мозгу, когда дело доходит до распознавания образов, управления рисками и других подобных сложных задач. Недавние достижения в области оптических нейронных сетей, однако, закрывают этот разрыв, моделируя реакцию нейронов в человеческом мозге.

В качестве ключевого шага к практическому внедрению крупномасштабных оптических нейронных сетей исследователи продемонстрировали первую в своем роде многослойную полностью оптическую искусственную нейронную сеть. Как правило, этот тип искусственного интеллекта может решать сложные проблемы, которые невозможны с традиционными вычислительными подходами. Однако современные конструкции требуют обширных вычислительных ресурсов, которые требуют много времени и энергии. По этой причине большой интерес представляет разработка практических оптических искусственных нейронных сетей, которые работают быстрее и потребляют меньше энергии, чем те, которые основаны на традиционных компьютерах.

Исследователи из Гонконгского университета науки и технологии подробно описывают свою двухслойную полностью оптическую нейронную сеть и успешно применяют ее к сложной задаче классификации.

«Наша полностью оптическая схема может обеспечить нейронную сеть, которая выполняет оптические параллельные вычисления со скоростью света, потребляя при этом мало энергии, - сказал Джунвэй Лю (Junwei Liu), член исследовательской группы. - Крупномасштабные полностью оптические нейронные сети могут быть использованы для приложений от распознавания изображений до научных исследований».

В обычных гибридных оптических нейронных сетях оптические компоненты обычно используются для линейных операций, в то время как нелинейные функции активации - функции, которые имитируют реакцию нейронов в человеческом мозге, - обычно реализуются электронным способом, поскольку для нелинейной оптики обычно требуются мощные лазеры, которые сложно реализовать в оптической нейронной сети.

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали холодные атомы с электромагнитно-индуцированной прозрачностью для выполнения нелинейных функций. «Этот эффект, вызванный светом, может быть достигнут при очень слабой мощности лазера, - сказал Шенван Ду (Shengwang Du), член исследовательской группы. - Поскольку этот эффект основан на нелинейных квантовых помехах, то можно расширить нашу систему в квантовую нейронную сеть, которая могла бы решать проблемы, которые невозможно решить классическими методами».

Чтобы подтвердить возможности и осуществимость нового подхода, исследователи построили двухслойную полностью связную оптическую нейронную сеть с 16 входами и двумя выходами. Исследователи использовали свою полностью оптическую сеть для классификации фаз порядка и беспорядка модели Изинга, статистической модели магнетизма. Результаты показали, что полностью оптическая нейронная сеть была такой же точной, как хорошо обученная компьютерная нейронная сеть.

Исследователи планируют расширить полностью оптический подход для крупномасштабных полностью оптических глубоких нейронных сетей со сложной архитектурой, разработанной для конкретных практических приложений, таких как распознавание образов. Это поможет продемонстрировать, что схема работает в больших масштабах.

«Хотя наша работа является демонстрацией принципа, она показывает, что в будущем может стать возможным разработать оптические версии искусственного интеллекта», - сказал Ду.

«Следующее поколение аппаратных средств ИИ будет по сути намного быстрее и будет демонстрировать более низкое энергопотребление по сравнению с современным компьютерным искусственным интеллектом», - добавил Лю.

Материалы, которые сжимаются при нагревании, меняя цвет с черного на золотой, могут уберечь дорогую электронику от теплового повреждения.

Ученые создали материалы, которые при нагревании в обычных повседневных условиях равномерно сжимаются во всех направлениях, используя дешевый и промышленно масштабируемый процесс. Это потенциально открывает новую парадигму контроля теплового расширения, которая сделает электронные устройства более устойчивыми к изменениям температуры. Один из способов теплового повреждения электронного оборудования заключается в том, что компоненты расширяются с разной скоростью, что приводит к силам, вызывающим микротрещины и искажения. Пластиковые компоненты и печатные платы особенно подвержены повреждениям из-за изменений объема во время циклов нагрева и охлаждения. Но если бы материал мог быть включен в компоненты, которые компенсируют расширение, напряжения были бы уменьшены, и их срок службы увеличился бы. Всем известен один материал, который ведет себя так: жидкая вода расширяется, когда она замерзает, и лед сжимается, когда она тает. Но жидкая вода и электроника плохо смешиваются - вместо этого требуется твердое вещество с «отрицательным тепловым расширением» (NTE).

Хотя такие материалы известны с 1960-х годов, необходимо было решить ряд проблем, прежде чем концепция станет широко полезной и коммерчески жизнеспособной. С точки зрения как материалов, так и функций эти усилия имели ограниченный успех. Экспериментальные материалы были изготовлены в специализированных лабораторных условиях с использованием дорогостоящего оборудования; и даже в этом случае диапазоны температуры и давления, в которых они демонстрировали бы NTE, находились далеко за пределами обычных повседневных условий. Кроме того, величина расширения и сжатия зависела от направления, что вызывало внутренние напряжения, которые изменяли их структуру, а это означает, что свойство NTE не будет сохраняться дольше, чем несколько циклов нагрева и охлаждения.

Исследовательская группа во главе с проф. Коши Такенака (Koshi Takenaka) из Университета Нагоя смогла преодолеть эти проблемы материаловедения. Вдохновленный серией работ Нориаки Сато (Noriaki Sato), также из Нагойского университета, чье открытие в прошлом году сверхпроводимости в квазикристаллах было признано одним из десяти лучших физических открытий года журналом Physics World, проф. Такенака взял редкоземельный элемент самарий и его сульфид, моносульфид самария (SmS), который, как известно, меняет фазу с «черной» на «золотую» меньшего объема. Задача состояла в том, чтобы настроить диапазон температур, при которых происходит фазовый переход. Решение команды состояло в том, чтобы заменить небольшую часть атомов самария другим редкоземельным элементом, получая Sm1-xRxS, где «R» - это любой из редкоземельных элементов: церий (Ce), неодим (Nd), празеодим (Pr) или иттрий (Y).

Фракция х, используемая командой, обычно составляла 0,2, за исключением иттрия. Эти материалы показали «гигантское отрицательное тепловое расширение» - до 8% при обычном комнатном давлении и полезный диапазон температур (около 150 градусов), в том числе при комнатной температуре и выше. Здесь церий является звездным кандидатом, потому что он относительно дешевый.

Природа фазового перехода такова, что материалы могут быть напылены кристаллами очень маленьких размеров порядка микрона на поверхности без потери их свойства отрицательного расширения. Это увеличивает диапазон промышленного применения, особенно в электронике.

В то время как инженерные достижения группы Университета Нагоя впечатляют, с точки зрения фундаментальной физики, как работает отрицательное расширение, это увлекательно. Во время черно-золотого перехода кристаллическая структура остается той же самой, но атомы размещаются ближе друг к другу: размер элементарной ячейки становится меньше, потому что (как это очень вероятно, но, возможно, еще не определено на 100%) электронная структура атомов самария изменяется и они становятся меньше. Это процесс внутриатомного переноса заряда, называемый «валентным переходом» или «валентной флуктуацией» внутри атомов самария. «У меня сложилось впечатление, - говорит профессор Такенака, - что экспериментально подтверждена корреляция между объемом решетки и электронной структурой самария для этого класса сульфидов».

Более конкретно, в черной (с более низкой температурой) фазе электронная конфигурация атомов самария имеет вид (4f)6, что означает, что на их внешней оболочке 6 электронов на f-орбиталях (с заполненными s, p и d орбиталями), в то время как в золотой фазе электронная конфигурация имеет вид (4f)5(5d)1 - электрон перешел с орбитали 4f на орбиталь 5d. Хотя более высокая оболочка начинает заполняться вследствие принципа Паули, что во втором случае размер атома меньше, что приводит к уменьшению размера кристалла и отрицательному расширению.

Но это только часть фундаментальной картины. В черной фазе сульфид самария и его легированные ответвления являются изоляторами - они не проводят электричество; в то время как в золотой фазе они превращаются в проводники (то есть металлы). Это говорит о том, что во время черно-золотого фазового перехода зонная структура всего кристалла влияет на валентный переход внутри атомов самария. Хотя никто не делал теоретических расчетов для легированных сульфидов самария, сделанных группой проф. Такенака, предыдущее теоретическое исследование показало, что, когда электроны покидают орбиталь атомов самария, они оставляют позади положительно заряженную «дыру», которая сама отталкивает от дырок в зоне проводимости кристалла, влияющих на их обменное взаимодействие. Это становится кооперативным эффектом, который затем управляет валентным переходом в атомах самария. Точный механизм, однако, не совсем понятен.

Тем не менее, достижения группы, возглавляемая Нагойским университетом, является инженерным, а не чисто физическим. «Для многих инженеров важна возможность использовать материал для уменьшения поломок устройства из-за теплового расширения, - объясняет проф. Такенака. - Короче говоря, в определенном температурном диапазоне, в котором работает предполагаемое устройство, обычно интервал в десятки градусов или более, объем должен постепенно уменьшаться с ростом температуры и увеличиваться с падением температуры. Конечно, я также знаю, что объемное расширение при охлаждении во время фазового перехода [например, замерзания воды] является распространенным случаем для многих материалов, однако, если объем изменяется в очень узком температурном диапазоне, то это не представляет никакой технической ценности, являясь результатом материаловедения, а не чистой физики».

Возможно, это даже предвещает новый "золотой" век для электроники

Компьютеры и аналогичные электронные устройства стали быстрее и меньше за десятилетия, так как производители компьютерных микросхем научились уменьшать отдельные транзисторы.

Погоня ученых за наименьший из возможных транзисторов позволила упаковывать большее количество из них в каждый чип. Но эта гонка почти закончена: исследователи быстро приближаются к физическому минимуму для размера транзистора, с недавними моделями до приблизительно 10 нанометров - или только 30 атомов - в ширину.

«Мощность обработки электронных устройств исходит от сотен миллионов или миллиардов транзисторов, которые соединены в единый компьютерный чип, - сказал доктор Кенджо Чо (Kyeongjae Cho), профессор материаловедения и инженерии в Техасском университете (UT) в Далласе. - Но мы быстро приближаемся к нижним пределам масштаба».

Чтобы расширить поиски более быстрой скорости обработки, индустрия микроэлектроники ищет альтернативные технологии. Исследование д-ра Чо, опубликованное онлайн в журнале Nature Communications, может предложить решение путем расширения словарного запаса транзистора.

Обычные транзисторы могут передавать только два бита информации: являясь переключателем, транзистор либо включен, либо выключен, что дает 1 и 0 двоичного алфавита.

Одним из способов увеличения производительности обработки без добавления дополнительных транзисторов было бы увеличение объема информации, передаваемой каждым транзистором, путем введения промежуточных состояний между состояниями включения и выключения двоичных устройств. Основанный на этом принципе так называемый многозначный логический транзистор позволил бы обрабатывать больше операций и большее количество информации в одном устройстве.

«Концепция многозначных логических транзисторов не нова, и было много попыток сделать такие устройства, - сказал д-р Чо. - Мы сделали это».

С помощью теории, дизайна и моделирования группа Чо в UT в Далласе разработала фундаментальную физику многозначного логического транзистора на основе оксида цинка. Их сотрудники в Южной Корее успешно изготовили и оценили характеристики прототипа устройства.

Устройство Чо способно к двум электрически стабильным и надежным промежуточным состояниям между 0 и 1, увеличивая число логических значений на транзистор с двух до трех или четырех.

Д-р Чо сказал, что новое исследование является важным не только потому, что технология совместима с существующими конфигурациями компьютерных чипов, но также и потому, что оно может преодолеть разрыв между современными компьютерами и квантовыми компьютерами, что является потенциальной следующей вехой в мощности вычислений.

В то время как обычный компьютер использует точные значения 1 и 0 для выполнения вычислений, основные логические единицы квантового компьютера являются более размытыми, причем значения могут существовать в виде комбинации 1 и 0 одновременно или быть любыми между ними. Несмотря на то, что коммерческие квантовые компьютеры еще предстоит реализовать, теоретически они способны хранить больше информации и решать определенные проблемы гораздо быстрее, чем современные компьютеры.

«Устройство, включающее многоуровневую логику, будет быстрее, чем обычный компьютер, поскольку оно будет работать не только с двоичными логическими значениями. С квантовыми величинами у вас есть непрерывные значения, - сказал Чо. - Транзистор - очень зрелая технология, и квантовые компьютеры еще далеко не готовы к коммерциализации. Существует огромный разрыв. Итак, как нам перейти от одного к другому? Нам нужен какой-то эволюционный путь, технология соединения между двоичными и бесконечными степенями свободы. Наша работа по-прежнему основана на технологии существующих устройств, поэтому не такой революционная, как квантовые вычисления, но она развивается в этом направлении».

Технология, которую д-р Чо и его коллеги разработали, использует новую конфигурацию двух форм оксида цинка, объединенных для формирования композитного нанослоя, который затем объединяется со слоями других материалов в сверхрешетку.

Исследователи обнаружили, что они могут достичь физики, необходимой для многозначной логики, встраивая кристаллы оксида цинка, называемые квантовыми точками, в аморфный оксид цинка. Атомы, составляющие аморфное твердое вещество, не так жестко упорядочены, как в кристаллических твердых телах.

«Создавая этот материал, мы обнаружили, что можем создать новую электронную структуру, которая обеспечит такое многоуровневое логическое поведение, - сказал д-р Чо, подавший заявку на патент. - Оксид цинка - это хорошо известный материал, который имеет тенденцию образовывать как кристаллические, так и аморфные твердые вещества, поэтому с самого начала это был очевидный выбор, но это может быть не самый лучший материал. Нашим следующим шагом будет рассмотрение того, насколько универсальным является такое поведение. среди других материалов, поскольку мы пытаемся оптимизировать технологию. Двигаясь вперед, нужно также посмотреть, как мы можем связать эту технологию с квантовым устройством».

Квантово-электродинамический процесс фотон-фотонного рассеяния впервые был подтвержден экспериментально с высокой степенью достоверности.

Сотрудничество CERN с ATLAS, в котором участвуют сотни физиков со всего мира, совершило прорыв после анализа большого набора данных о кандидатах событий рассеяния с помощью нейронной сети. Их открытие может способствовать новым исследованиям в различных теориях, выходящих за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.

В классической электродинамике фотоны не могут взаимодействовать друг с другом, потому что у них нет заряда. В то же время, однако, квантовая электродинамика предсказывает, что два фотона могут рассеиваться друг на друге путем обмена виртуальными заряженными фермионами или W-бозонами. Некоторые теоретические расширения Стандартной модели предсказывают, что эти события рассеяния чувствительны к еще не подтвержденным частицам, включая аксионы и магнитные монополи.

Чтобы проверить эти теории, физики на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН попытались вызвать фотон-фотонное рассеяние, направляя тяжелые ионы навстречу друг другу на релятивистских скоростях. Когда они проходят все ближе и ближе друг к другу, ионы обмениваются все большим количеством виртуальных фотонов. Если рассеяние происходит между любыми двумя из этих фотонов, ионная пара потеряет небольшое количество энергии и испустит пару реальных фотонов. Эти световые вспышки будут затем уловлены противоположными сторонами детектора, раскрывая характеристики исходного события рассеяния.

В 2017 году в сотрудничестве ATLAS и CMS, базирующемся на LHC, был проведен поиск экспериментальных данных наличия этих фотонных пар во время столкновений между ионами свинца высоких энергий, которые они зафиксировали в 2015 году. Из 13 событий-кандидатов эксперименты сообщили о фотон-фотонном рассеянии с точностью до 4,4σ и 4,1σ соответственно - что не соответствует общепринятому порогу достоверности 5σ, необходимому для подтверждения экспериментального открытия.

Сотрудничество ATLAS теперь повторило эксперимент, используя гораздо больший набор данных из 59 возможных событий-кандидатов рассеяния, собранных в ходе еще более обширной серии столкновений ионов свинца, проведенной в 2018 году. Кроме того, они разработали нейронную сеть для более эффективного различения пары фотонов, которые указывают на эти события рассеяния от всех фоновых фотонов, собранных детектором. Это позволило команде существенно повысить достоверность до 8,2σ, что значительно превышает принятый порог.

Несколько недавних теорий предсказали, что измерения фотон-фотонного рассеяния могут быть чувствительными к явлениям, выходящим за рамки Стандартной модели. К ним относятся частицы, содержащие только один магнитный полюс, который запрещен классической электродинамикой, а также аксионы, введенные теорией для решения сильной проблемы CP квантовой хромодинамики. Таким образом, открытия сотрудничества ATLAS могли бы послужить основой для будущих исследований, направленных на подтверждение и ограничение этих теорий, что может привести к долгожданным обновлениям Стандартной модели.

Видно, что свет рассеивает свет