Олег Сосунов
Уже сегодня практически весь интернет раздается «по воздуху». А лет через 20 вся обработка трафика переместится даже не на базовые станции, а в дата-центры.
Иллюстрация создана нейросетью Kandinsky 3.0
Через 20–25 лет произойдет то, что можно назвать информационным взрывом. При этом речь идет не о росте числа публикаций в интернете, а о катастрофическом, в несколько тысяч раз, росте абонентского трафика (см. статью автора «Грядущая катастрофа в микроэлектронике», «НГ-наука», 26.06.24). Логика информационного взрыва очевидна.
Трафик всему голова
Подобно эмпирическому закону Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца, существует закономерность, характеризующая динамику роста трафика в системах связи. Абонентский трафик в мире ежегодно увеличивается в среднем не менее чем в 1,5 раза. И Россия не исключение.
При этом объем абонентского беспроводного трафика сегодня уже превышает объем абонентского проводного трафика и растет в 1,2 раза быстрее, чем объем проводного трафика. А поскольку домашний, офисный и публичный трафик Wi-Fi входит в общий объем, но не учитывается в составе беспроводного абонентского трафика, практически весь интернет раздается «по воздуху».
Можно экстраполировать этот результат и получить оценку роста трафика за последующие 20 лет. При ежегодном росте в 1,5 раза за 10 лет трафик увеличится в 57 раз и соответственно за 20 лет в 3300 (3,3×103) раз. И это объективный процесс!
Учитывая приведенные оценки, можно не сомневаться, что информационный трафик между абонентом и базовой станцией и между абонентами возрастет в ближайшие 20 лет в несколько тысяч раз. В итоге с освоением полосы радиочастот 71–102 ГГц объем абонентского трафика увеличится в несколько тысяч раз.
Как пролезть в «терагерцевую щель»
Твердотельные приборы неэффективны для работы в «терагерцевой щели» 100 ГГц – 1 ТГц (1011–1012 Гц) в силу объективно существующих для них физических ограничений.
Скорость дрейфа электронов в полупроводниках относительно низкая, на три-четыре порядка ниже, чем в вакууме. С ростом частоты растет сдвиг по фазе между входным и выходным сигналами, вследствие чего на высоких частотах катастрофически снижается коэффициент усиления транзистора. Казалось бы, что мешает уменьшить длину канала, чтобы сократить время пробега электрона по каналу и увеличить тактовую частоту полупроводникового транзистора? Однако при уменьшении длины канала с ростом частоты катастрофически растут токи утечки. И это в десятки раз снижает коэффициент полезного действия (КПД) транзистора.
Скорость дрейфа электронов в вакууме достаточно высокая, чтобы обеспечить работу электровакуумных приборов на частотах до 100 ГГц и выше с достаточно высоким КПД. Однако их широкое применение ограничено препятствием на пути к миниатюризации – отсутствием так называемых холодных (автоэмиссионных, с низкой работой выхода, около 1 эВ и менее) катодов. Это не позволяет на их основе создавать в терагерцевом диапазоне активные фазированные антенные решетки (АФАР) и передатчики для компактных абонентских устройств, а также микросхемы для вычислительной техники с тактовыми частотами 1 ТГц.
Возможность создания холодного катода появилась с открытием нового материала – электрида (в научной литературе – C12A7: e). Это создает предпосылки для революционного прорыва в микроэлектронике, в первую очередь в мобильной связи, в полосах радиочастот «терагерцевой щели».
В итоге, подобно тому как толчком к массовому распространению цифровой мобильной связи послужило создание в 1979 году аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в виде интегральной схемы, толчком к освоению полос радиочастот 71–102 ГГц и выше будет служить транзистор с вакуумным каналом с автоэмиссионным катодом в микроисполнении – микротриод.
Такой микротриод станет основой устройств, позволяющих работать в «терагерцевой щели» с высоким, 60–70%, КПД. А кроме того, позволит реализовать усиление радиосигнала на приеме за счет параметрического резонанса, без применения АЦП, что даст возможность компактным мобильным устройствам обрабатывать сигналы с шириной полосы 3–5 ГГц и более в реальном времени.
Над созданием микроэлектровакуумных приборов сегодня работают все ведущие производители электронных компонентов (Samsung, Toshiba, SK Hynix, Hewlett Packard, Intel, Micron, Texas Instruments, Sony, Fujitsu и др.). Создание таких приборов заявлено как основной приоритет в программах технологического развития США, Южной Кореи, Финляндии, Японии, Германии, Великобритании, Индии, Китая.
В лабораторном варианте такие приборы уже существуют, причем не отстают и российские разработчики. В частности, с участием специалистов ряда научных учреждений и высших учебных заведений Новосибирска планируется изготовить опытные образцы таких приборов и провести испытания до конца 2025 года. Через 7–10 лет такие приборы появятся в промышленном исполнении, а через 15–20 лет они станут основой средств связи и вычислительной техники.
Мало ваттов
Самым существенным последствием информационного взрыва будет то, что через 20–25 лет информационный сектор станет основным потребителем электроэнергии в мире. Примерная оценка роста потребления электроэнергии информационным сектором через 20–25 лет выглядит следующим образом.
Как уже отмечено выше, с освоением через 20 лет мобильной связью полосы радиочастот 71–102 ГГц основной составляющей абонентского трафика станет стерео- (объемное) видение. Так как среднее число операций в алгоритмах сжатия трехмерного потокового видео пропорционально 3-й степени числа входных данных (пикселей, точек), с ростом абонентского трафика или трафика с удаленного терминала в 103 раза, число операций по обработке информации (сжатию потокового видео) возрастет более чем в 109 раз.
С применением в будущем таких устройств, как универсальная память и транзистор с вакуумным каналом, энергопотребление из расчета на бит обрабатываемой информации можно будет снизить за счет: роста тактовой частоты, применения архитектуры «процессор в памяти» и использования распределенного (матричного) синхронизированного генератора тактовой частоты – в общей сложности примерно в 106 раз. В итоге затраты мощности на обработку единицы информации возрастут не менее чем в 103 раза. Следовательно, во столько же раз возрастет энергопотребление информационного сектора.
Любопытно в связи с этим оценить абсолютный рост энергопотребления информационного сектора. В мире сегодня около 20 млрд подключений и более 6 млрд активных абонентских устройств, в основном смартфоны, планшеты и ноутбуки.
Современный смартфон потребляет в среднем 12–15 Вт-ч электроэнергии в сутки или 4–5 кВт-ч в год. Из них 50% тратится на обработку информации. Соответственно 6 млрд смартфонов потребляют 30 ТВт-ч электроэнергии в год, из них около 15 ТВт-ч тратится на обработку информации.
С учетом этого через 20 лет затраты на обработку информации 6 млрд абонентских устройств и примерно таким же количеством удаленных автономных терминалов должны составить не менее 30 000 ТВт-ч электроэнергии в год. Это больше, чем все современное производство электроэнергии – 27 000 ТВт-ч в год.
При этом каждое абонентское устройство, с учетом затрат на обработку информации, а также затрат на электропитание передатчика, должно потреблять примерно 6–7 кВт-ч электроэнергии в сутки. А значит, его потребляемая мощность составит около 0,3 кВт, что выглядит безумием и с точки зрения здоровья абонента, и с точки зрения веса аккумуляторов.
Чтобы все это не выглядело абсурдом, можно предположить – и, вероятнее всего, так и будет, – что вся обработка трафика переместится даже не на базовую станцию, а в дата-центр. На абонентском устройстве останутся только функции управления и визуализации. Дата-центры будут расти вокруг мегаполисов, как грибы после дождя, что уже сейчас заметно.
В итоге, основными потребителями электроэнергии в мире станут именно они – дата-центры. Они будут потреблять более 50% всей производимой электроэнергии, так как за 20 следующие лет человечество, по минимальным оценкам, удвоит потребление электроэнергии.
Таким образом, можно утверждать, что через 20–25 лет в результате катастрофического роста энергопотребления информационный сектор станет основным потребителем электроэнергии в мире и доминирующим сектором мировой экономики.
Новосибирск
Константин Ремчуков 
