Чего же нам ждать от спинтроники в ближайшее десятилетие? Специалисты выделяют три главных направления ее развития: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.
Для реализации квантового компьютера предполагается задействовать спины в полупроводниковых квантовых точках и ямах, которые называют спиновыми кубитами (квантовыми битами). Спиновый кубит может находиться в двух устойчивых состояниях, «спин-вверх» и «спин-вниз», соответствующих логическим "0" и "1" в классических компьютерах. Квантовый компьютер пока не создан, хотя его общая структура была предложена знаменитым физиком Ричардом Фейнманом (Richard Feynmann) еще в 1986 году (рис. 3). Основной частью компьютера является квантовый регистр — совокупность некоторого числа кубитов. При вводе информации в компьютер все кубиты регистра должны быть приведены в базовое состояние, соответствующее "0" или "1". Такая операция называется инициализацией. После этого цепочка кубитов (данных) поступает в квантовый процессор, который выполняет последовательность квантовых логических операций. На выходе компьютера необходимо измерить состояния кубитов, проанализировать их на обычном компьютере и получить готовое решение. Помимо специальных задач моделирования квантовых объектов, квантовые компьютеры можно будет использовать для быстрого поиска в базах данных (в частности, в больших массивах Интернета) и в криптографии. Если верить прогнозам ученых, то работоспособная версия нового типа компьютеров будет готова к 2020 году.
Спиновый полевой транзистор SFET (spin field-effect transistor) как готовое устройство пока не создан, хотя схему и принцип его действия еще в 1990 году предложили Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das). Работа транзистора SFET основывается на эффекте магниторезистивного туннелирования спинов через прослойку изолятора, помещенную между слоями ферромагнитного металла. В таком устройстве носители (электроны с разными спинами) инжектируются («впрыскиваются») из магнитного истока (это может быть ферромагнитный металл либо магнитный полупроводник) к стоку, намагниченному в том же направлении, что и исток, через полупроводниковый канал. Если к затвору не приложено электрическое напряжение, то поляризованные носители доходят до стока и тем самым замыкают электрическую цепь, а такое состояние транзистора называют «открытым ключом». Если на затвор подать малое напряжение, то носители начнут взаимодействовать с электрическим полем, что приведет к прецессии спинов. При определенном напряжении спины развернутся в сторону, противоположную намагниченности стока. Такое состояние соответствует «закрытому ключу», так как спины не проходят через сток. Два состояния спинового транзистора — открытый и закрытый — можно сопоставить с логическим "0" и "1" бита информации.
Первые попытки создания спинового транзистора, в котором в качестве инжектора спинов использовались ферромагнитные контакты из железа, никеля и кобальта, потерпели крах. Все дело в том, что такой способ «впрыска» спинов через границу ферромагнитный металл/полупроводник малоэффективен (число поляризованных спинов всего около 1%) из-за большого различия в их проводимостях. Как же доставить в полупроводник возможно большее число поляризованных спинов? Ученые быстро нашли ответ: нужно создавать новый класс материалов — магнитные полупроводники, которые, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов (спины выстроены в выбранном направлении), а с другой — легко интегрировались с традиционными полупроводниковыми устройствами. На текущий момент такие магнитные полупроводники уже существуют, например GaMnAs и Cd1—xMnxGeP2, и на их основе осуществляются попытки создания спиновых устройств. Как только будет налажено промышленное производство спиновых транзисторов, сразу же возрастет быстродействие, уменьшится энергопотребление и тепловыделение построенных на их основе микропроцессоров (которые, возможно, к тому времени назовут нанопроцессорами).
Однако самое перспективное и самое близкое сегодня к техническому воплощению спиновое устройство — спиновая память. Как вы уже поняли, для управления спином используется магнитное поле. А если спинов миллионы и каждому нужен «индивидуальный подход»? Очень трудно представить модуль памяти, содержащий миллионы наномагнитов, которые к тому же еще и не взаимодействуют друг с другом. Есть ли альтернативное решение проблемы? Да есть, и решение это подсказано более полувека назад самим Эйнштейном. Великий ученый предположил, что для быстро движущегося электрона электрическое поле будет выглядеть как магнитное. Буквально полтора года назад физики подтвердили эту гипотезу, взяв два различных по составу полупроводника и образовав из них единую структуру путем напыления в вакууме. В результате в структуре возникают внутренние механические напряжения, приводящие к появлению электрического поля, которое и становится движущей силой для электронов. Чем сильнее электрическое поле, тем больше эффективное магнитное поле, заставляющее быстрее прецессировать спины электронов. Это говорит о том, что у нас появляется возможность управлять углом наклона спинов или, иначе говоря, их фазой (направлением спина). Другими словами, направление спина необязательно принимает два фиксированных положения, соответствующих логическим "0" и "1" в классических бинарных компьютерах, а может иметь и промежуточные фазы. То есть спинтроника позволяет перейти от битов к так называемым фитам, фазовым числам, способным принимать больше значений. Представим себе модуль памяти, в котором группы спинов направлены на север, юг, восток, запад, северо-восток, северо-запад, юго-восток и юго-запад. Всего восемь направлений, соответствующих восьми фитам: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Чем точнее мы определим фит, тем большей плотности записи информации сможем достигнуть. Уже существует ряд методов точного определения фазового угла спинов, и можно ожидать, что сверхплотная, энергонезависимая и сверхбыстродействующая память не за горами.
Вполне возможно, через десять-пятнадцать лет новая область науки — спинтроника — будет так же важна, как сегодня важна электроника. Итак, да здравствует Её Величество Спинтроника!
СОБЫТИЯ:"Спинометр" зашкаливает
Автор: Киви Берд
В политическом жаргоне США и других англоязычных стран давно закрепился занятный термин «spin doctor», смысл которого политкорректные словари переводят как «специалист, препарирующий информацию в выгодном для себя и своей партии духе и преподносящий ее СМИ под нужным углом зрения». Если же принимать в расчет контекст, в котором обычно используется этот термин, то перевод будет гораздо проще — «мастер вранья». Можно даже сказать, что грубый перевод более адекватен, поскольку сам термин произошел от выражения «spin yarn», в исходном смысле означающего «прясть пряжу», а в переносном «плести небылицы».
Столь пространное политико-лингвистическое вступление понадобилось по той причине, что без него трудно объяснить суть новой программы-"спинометра", созданной в канадском университете Куинз, Онтарио. Теперь же мы можем догадаться по названию программы, что ее алгоритм оценивает уровень вранья в речах политических деятелей или, выражаясь предельно корректным языком разработчика программы Дэвида Скилликорна (David Skillicorn), вычисляет «спин, то есть долю текста или речи, очевидный смысл которых не является истинным убеждением человека, произносящего или написавшего эти слова».
В основу алгоритма положена психологическая модель, построенная американцем Джеймсом Пеннебейкером (James Pennebaker) из Техасского университета. Изучая характерные структуры в речах и текстах многих сотен добровольцев, излагающих заведомую правду или заведомую ложь, Пеннебейкер сумел выделить слова и выражения, с большой вероятностью свидетельствующие об обмане. Например, в речах лжеца уменьшается употребление личных местоимений, таких как «я, мы, меня, нас», и слов-ограничителей, таких как «однако» и «за исключением». Предполагается, что эти структурные особенности имеют неконтролируемое подсознательное происхождение и чем-то похожи на физиологические признаки лжи, вроде расширения зрачка или изменения ритма дыхания, которые часто используются на допросах для уличения людей в неискренности.
Поначалу Скилликорн решил экспериментально проверить идеи Пеннебейкера на материалах известного дела Enron, написав программу для анализа текстов электронной почты, ходившей между директорами компании накануне ее грандиозного банкротства в 2001 году. Результаты эксперимента оказались столь впечатляющими, что Скилликорн решил применить свою разработку для анализа текущих событий — острейшей предвыборной схватки в Канаде, давным-давно не видавшей чего-либо подобного. Либеральная партия, находившаяся у руля четырнадцать лет, похоже, слишком вросла во власть и последние годы была вынуждена постоянно отбиваться от обвинений в незаконных пожертвованиях и прочих финансовых махинациях. Поскольку политическая борьба ведется в основном риторически, без предъявления конкретных фактов, было особенно интересно посмотреть, кто из противников окажется в своих речах наиболее неискренним.
Незадолго до выборов Скилликорн и его команда проанализировали предвыборные речи ведущих канадских политиков на предмет структур с использованием 88 характерных слов, свидетельствующих об обмане. Программа вычислила частоту таких структур в каждой речи, а затем оценила их среднее количество для всех речей каждого из кандидатов. Премьер-министр Пол Мартин (Paul Martin, нафото 1), возглавляющий Либеральную партию, в этих подсчетах с большим отрывом обошел всех соперников, набрав 124 очка. Лидеры оппозиции Стивен Харпер (Stephen Harper, нафото 2) от Консервативной партии и Джек Лейтон (Jack Layton) от Новой демократической партии набрали соответственно 73 и 88 очков.
Руководство правящей либеральной партии категорически не согласилось с результатами этого анализа, заявив устами своего представителя, что «если данная программа показывает такое, думается, ее надо дорабатывать». Описанная система, конечно, не выдает истину в последней инстанции. Однако итоги выборов в Канаде показывают, что на результаты такого рода анализа имеет смысл обращать внимание — поскольку к власти пришла консервативная партия с «самым честным» (73 спин-очка) лидером Стивеном Харпером.
АНАЛИЗЫ: История одного SimCity
Автор: Никитин, Аркадий
Популярные еще несколько лет назад дебаты о влиянии компьютерных игр на психику игроков мало-помалу сошли на нет. Но даже когда дискуссии между психологами, психиатрами и пациентами были в самом разгаре, обсуждение, как правило, сводилось к опасности, которую могут оказать на подрастающее поколение стрелялки от первого лица. Всем остальным сходить с ума никто не мешал (а надо сказать, что у честного человека, пытающегося пройти MYST без подсказок, шансов заработать вывих головного мозга на порядки больше, чем у чемпиона Заречной улицы по Counter-Strike). И уж тем более никто не мог заподозрить в нехорошем апатичные с виду стратегии и симуляторы. Стремясь оживить снулый учебный процесс, преподаватели американских колледжей устанавливали на школьные машины SimCity, причем делали это с такой готовностью, что производитель игры компания Maxis, продав школам десятки тысяч лицензий, начала козырять словечком edutainment. Дескать, не только развлекаем, но и учим. О том, чему, собственно, учит SimCity, задумался американский специалист по градостроительному проектированию Дэниел Лобо (Daniel G. Lobo), написавший статью «Город не игрушка. Как SimCity играет с урбанизмом» («A city is not a toy. How SimCity plays with Urbanism»).
Опись градоначальникамПосему: казнить, расточать или иным образом уничтожать обывателей надлежит с осмотрительностью, дабы не умалился от таковых расточений Российской империи авантаж и не произошло для казны ущерба.
М. Е. Салтыков-Щедрин, «История одного города»SimCity — это симулятор управления городом, а потому у игрока нет четко очерченной цели. Вам не придется уничтожать всех уродов и искать верную кнопку для перехода на следующий уровень, не придется решать сложные головоломки, которыми создатели квестов расплачиваются с игроками за свое пасмурное детство, и не нужно выигрывать одну гонку за другой, чтобы в итоге взобраться на первое место в табели о рангах. Вы просто строите и развиваете свой собственный город. До тех пор, пока у вас не закончатся деньги или пока вам не надоест.
Игра начинается с чистого листа. Перед вами квадратный участок земной поверхности, который вы можете обустроить по собственному усмотрению. Сровнять с землей горы, источить эрозией прибрежные скалы, приподнять поверхность над уровнем моря — в общем, все, что угодно. Только реки повернуть вспять не удастся, потому что программе абсолютно все равно, куда они текут.
После того как площадка расчищена, можно переходить непосредственно к градостроительству. Этот режим называется режимом мэра и является в игре основным (хотя в любой момент вы можете вернуться в режим бога и сделать с природным ландшафтом еще что-нибудь хорошее — метеорит, например, уронить).
Первейшая задача мэра — привлечь в город жителей, поскольку жители (а точнее, налоги, которыми они пополняют казну) являются одним из главных финансовых источников благосостояния городского хозяйства. Те же самые жители работают на промышленных и коммерческих предприятиях, которые, в свою очередь, тоже платят налоги. Поэтому для застройки мэр может использовать три вида зональной разметки: жилые кварталы, коммерческие районы и промышленные зоны. Причем тут есть некоторые тонкости — промышленность лучше не ставить рядом с жилыми кварталами, поскольку горожане не одобряют загрязнения окружающей среды. Особенно под своими окнами. А коммерцию, наоборот, лучше приблизить к людям — на отшибе она, скорее всего, зачахнет. На пользу местечковым коммерсантам и промышленникам идут также связи с другими городами — про офшоры симы не знают, схем налоговых не ведают. Можно сказать, идеальные граждане.
Налоговые поступления мэр тратит на постройку дорог, оплату работы коммунальных служб и финансирование общественных институтов, которые обучают, лечат и развлекают симов, а при необходимости сажают граждан в кутузку. Вот, собственно, и все правила. Главное — поначалу не куражиться и не тратить деньги почем зря. Впрочем, когда красного в бухгалтерской отчетности становится слишком много, всегда можно приютить на краешке карты какую-нибудь военную базу, которая будет верно выплачивать городу отступные за причиненное своим соседством неудобство.
О корени происхождения SimCityНо летописец, очевидно, и в свою очередь, забывает, что в том-то собственно и заключается замысловатость человеческих действий, чтобы сегодня одно здание на «песце» строить, а завтра, когда оно рухнет, зачинать новое здание на том же «песце» воздвигать.
М. Е. Салтыков-Щедрин, «История одного города»Общеизвестно, что Уилл Райт (Will Wright) пришел к идее SimCity случайно. Он работал над созданием уровней для игры Raid on Bungeling Bay, когда у него мелькнула мысль, что строить ландшафты гораздо интереснее, чем бомбить их. Для игровой индустрии середины 1980-х гг. идея была нетривиальной, и Уиллу понадобилось два года, чтобы найти инвестора, столь же миролюбивого, как и он сам. Показательно, что им стал новичок, ранее не вкладывавший деньги в рынок компьютерных игр. В 1986 году Райт и Джефф Браун (так звали инвестора) организовали компанию Maxis, а еще через три года на прилавках появилась первая версия SimCity.
Отличительными чертами новой игры было отсутствие четкой цели и заранее прописанных сценариев. Почти все события в SimCity являлись реакцией на действия пользователя. Под видом игрушки потребителю продали пусть упрощенную, но довольно честную динамическую модель с обратной связью. Несмотря на некоторое внешнее сходство, между редактором уровней и SimCity — пропасть.
Понятно, что разработать такую модель с нуля очень трудно. Не пытаясь умалить новаторство Райта, Лобо попытался разобраться, кто был источником вдохновения для дизайнера, и пришел к выводу, что на создателя SimCity повлияли идеи исследователя из МТИ Джея Форрестера (Jay Wright Forrester) и, в частности, его книга «Городская динамика» («Urban Dynamics», 1965).
Самого Форрестера градостроительство интересовало постольку поскольку. Для него город был всего лишь удобной моделью для обкатки своих идей в области системной динамики. После «Urban Dynamics», вызвавшей раздражение людей, разбирающихся в городском управлении, Форрестер написал «Мировую динамику» (World Dynamics), в которой размышлял уже о глобальных мировых проблемах. На основе его разработок в начале 1970-х гг. была создана компьютерная модель «Мир-3», результаты обсчета которой изложены в отчете Римского клуба «Пределы роста» («The Limits of Growth», 1972), также получившем изрядную долю критики — но уже от политиков и футурологов.
Часть критических замечаний была вызвана неточностью предсказаний, сделанных по компьютерным моделям Форрестера (скорее всего, причиной ошибок была нехватка статистической информации, но и построить правильную модель сложных реальных процессов тоже очень непросто). Кроме того, Форрестер предложил отказаться от линейного подхода (проблема — действие — результат) в пользу нелинейного, когда любое действие не только решает проблему, но и изменяет состояние системы в целом, влияя таким образом на наши будущие решения. Мысль эта кажется очевидной и не слишком-то революционной, однако на практике зачастую применяется именно линейный подход. В качестве классического примера Форрестер в «Urban Dynamics» приводит реальный случай борьбы с безработицей в Бостоне, когда власти решили помочь нуждающимся и стали строить больше дешевого жилья. Разумеется, этот шаг только усугубил положение на рынке труда.
Еще один — непосредственно следующий из вышесказанного — вывод Форрестера состоит в том, что источником проблем системы, как правило, является сама система, а не загадочные внешние обстоятельства непреодолимой силы (здесь самые впечатляющие примеры относятся к корпоративному менеджменту — на своих моделях Форрестер показывает, что фиаско компании зачастую можно предсказать еще тогда, когда все внешние условия, казалось бы, исключительно благоприятны). С этим тоже трудно спорить, хотя склонность Форрестера рассматривать систему в целом, не отвлекаясь на частности, для реальных приложений не очень подходит — и с этим позднее пришлось столкнуться даже разработчикам SimCity.