Закись азота

Закись азота — «веселящий газ», латинское название — Nitrogenium oxydulatum. Химическая формула — N₂0. Основное применение: обезболивание при выполнении медицинских процедур, требующих отключения сознания¹. Историческое название «веселящий газ» дано в 1799 году английским химиком Х. Дэви, который обнаружил, что в начальной фазе действия закись азота вызывает у человека возбуждение, сопровождающееся смехом и беспорядочными телодвижениями…

Закись азота — удивительное вещество. Оно нашло столь широкое применение в медицине и технике, что, похоже, название его стало нарицательным. Мне довольно часто попадаются тексты, в которых «закисью азота» именуются, например, водно-метаноловые смеси, весьма далекие в химическом смысле от N₂O. Разумеется, это ошибка, имеющая, как мы увидим далее, свое историческое объяснение. «Веселящий газ» сыграл немалую роль и в жизни многих известных людей. Достаточно вспомнить, что Сэмюэл Кольт (Samuel Colt), изобретатель ставшего классическим револьвера с автоматическим поворотом барабана при взводе курка, чтобы заработать деньги на изготовление первых опытных образцов, долгое время колесил по Североамериканским Соединенным Штатам, представляясь «доктором» и устраивая с помощью баллона с закисью азота веселые представления для публики… Но нас сегодня интересует не столько применение N₂O в шоу-бизнесе, сколько во вполне реальной технике.

В 1912 году французский пилот-любитель Жак Шнейдер (Jacques Schneider), человек весьма и весьма состоятельный, учредил ежегодные авиационные соревнования на скорость с призовым фондом в 25 тысяч франков, которые вошли в историю как гонки на Кубок Шнейдера². Задача участников состязаний состояла в том, чтобы за минимальное время пролететь дистанцию в 340–360 километров, а затем представить свои летательные аппараты на… мореходные испытания. Да-да, речь идет о гидросамолетах на огромных поплавках. Именно они в 20-е годы прошлого века устанавливали мировые рекорды скорости в воздухе. Вроде бы сухопутные самолеты с компактным колесным шасси по определению должны были иметь преимущество. Ан нет. Такие самолеты используют для взлета и посадки земную твердь, что выдвигает весьма существенные требования к их взлетно-посадочным характеристикам. Конструкторы в то время просто не могли оптимизировать аэродинамику сухопутных самолетов для высоких скоростей полета, удовлетворяя и эти требования. А водная поверхность предоставляла возможность гидросамолетам практически удвоить взлетно-посадочные скорости, что позволяло заметно уменьшить, например, общую площадь крыльев, и тем самым значительно снизить аэродинамическое сопротивление. Снизить намного больше, чем добавляли уже упомянутые поплавки. В результате рекордные гидропланы имели весьма причудливые очертания. До двух третей длины фюзеляжа занимал огромный моторный отсек с многосотсильным двигателем, кокпит пилота размещался у самого хвостового оперения, а маленькие крылья выглядели просто игрушечными. Всем этим дело не ограничивалось. Именно к периоду шнейдерских гонок относятся первые упоминания о попытках использования закиси азота для кратковременного повышения мощности авиационных моторов. Конструкторы старались создать систему впрыска N₂O во впускной коллектор двигателя из криогенных баллонов высокого давления, что, по идее, должно было снизить температуру всасываемого в двигатель воздуха, и, как следствие, всей топливной смеси, а также поднять удельное содержание кислорода в камере сгорания³. Ожидалось, что это приведет к существенному повышению интенсивности сгорания топливной смеси в цилиндрах двигателя и, соответственно, к заметному (вплоть до 50 процентов) увеличению мощности. В 20-е годы эти попытки оказались безуспешными. Зато все получилось у немецких авиаконструкторов во время Второй мировой войны. Известен факт, что истребитель «Фокке-Вульф-190» (Focke-Wulf Fw.190)⁴, созданный Куртом Танком (Kurt Tank), в некоторых своих модификациях был штатно оснащен системой впрыска закиси азота для повышения мощности двигателя и улучшения его высотных характеристик на форсажных режимах⁵. Экспериментировали с «веселящим газом» и в советских конструкторских бюро. Но переход авиации на реактивную тягу положил конец всем этим экспериментам.

Технические наработки авиаконструкторов не пропали даром. В 70-е годы два талантливых автомобильных техника — Майк Термос (Mike Thermos) и Дэйл Вазнаян (Dale Vaznaian) — разработали простую, и при этом практически универсальную схему применения закиси азота в двигателях внутреннего сгорания. С того времени баллончики с надписью NOS⁶ стали атрибутом сначала некоторых спортивных, а затем и практически всех серьезных стритрейсерских автомобилей. За несколько минут невероятного ускорения (на большее не хватает ни емкости баллона, ни запаса надежности двигателя) стритрейсеры отдают весьма немалые деньги. Впрочем, вы сами все видели в фильмах «Форсаж» и «Двойной форсаж». Или слышали в ночные часы под окнами вашего дома…

Однако нам давным-давно пора перейти от исторического экскурса к сегодняшним хайтековским проблемам. В частности, проблемам процессоростроения. Не секрет, что тактовые частоты процессоров, выполненных по новейшим 90-нм технологическим нормам, так и не превзошли, несмотря на все надежды, рубежа 4 ГГц. Причин тому много, от заметно возросших токов утечки через затворы транзисторов⁷ до проявления эффектов, связанных с конечной скоростью распространения электрических сигналов по проводникам микросхем. Тем не менее, производительность компьютеров надо как-то повышать. И на весеннем IDF (Intel Developer Forum), что состоялся с 1 по 3 марта этого года в Сан-Франциско, возможные пути решения этой проблемы стали лейтмотивом многих докладов. Чуть ли не в каждом выступлении звучало, что знаменитый «Закон Мура», устанавливающий, что каждые 18–24 месяца число транзисторов в процессорах удваивается, будет обязательно соблюдаться и в ближайшие годы. Но сотни миллионов транзисторов на кристалле — еще не гарантия, что наши компьютеры станут быстрее. В конце концов, если взять наиболее востребованное на рынке семейство процессоров Intel Pentium 4, то 55 миллионов транзисторов у «старого» 130-нм Northwood оказались, в конечном итоге, не менее производительными, чем 125 миллионов у 90-нм Prescott. Явно требуются свежие решения. И на IDF был сделан упор на два главных из них — многоядерность и технологию 64-битного расширения архитектуры x86 под названием EM64T (Extended Memory 64 Technology). Первыми обе технологии получат двуядерные процессоры на ядре Smithfield, которые уже на подходе, они даже успели получить рыночное имя — Pentium D. Буковка D, вероятно, означает dual-core («два ядра), или, будучи четвертой буквой в английском алфавите, намекает на индекс «4» в использующемся с 2000 года названии Pentium 4. Кстати, Pentium D поддерживает и Hyper-Threading, так что операционная система будет считать, что у нее аж 4 виртуальных процессора. Благо Microsoft решила не требовать с владельцев двуядерных чипов покупки лицензии на многопроцессорную версию ОС. Однако, известно, что для получения существенной отдачи от двуядерности потребуются, как минимум, новые компиляторы, умело распараллеливающие процесс вычислений. А вот с поддержкой технологии EM64T (и, разумеется, AMD64, появившейся несколько ранее) все несколько проще. Microsoft Windows XP x64 Edition выходит, по слухам, уже 29 апреля.

Насколько все эти решения окажутся действенными, мы узнаем довольно скоро. Лично я a priori (и только a priori!) проявлю здоровый скептицизм, так как один раз уже ошибся, излишне оптимистично заключив в момент объявления истинно 64-разрядного процессора Itanium, что к концу 2002 года вся отрасль перейдет на 64-разрядные платформы. А воз, как говорится, и ныне там. Не исключено, что и многоядерность грядущих процессоров от Intel и AMD, и 64-разрядные расширения EM64T/AMD64 суть «закись азота», призванная выжать все возможное из уже достигнутого на сегодняшний день уровня технологий. Ничего плохого в этом, правда, нет. Но содержащегося в «закиси» потенциала роста производительности, скорее всего, хватит не очень надолго. Рано или поздно все равно потребуется переход на… «реактивную тягу»⁸. Ну а мы, возможно, через несколько лет будем воспринимать тот факт, что рекорды производительности в классе настольных систем ставились многоядерными процессорами⁹, в качестве… технического курьеза. Подобно тому, как во времена Кубка Шнейдера все рекорды скорости в воздухе принадлежали гидропланам с мощным мотором, маленькими крыльями и на огромных поплавках.

1 Эту забавную фразу я вычитал в «Регистре лекарственных средств России», так что ответственности за нее не несу.

2 Официальное название — La Coupe d’Aviation Maritime Jacques Schneider.

3 Закись азота содержит (по весу) 36 процентов кислорода против 22 в обычном воздухе.

4 Подобные системы устанавливались и на некоторые версии «Мессершмитт-109» (Messerschmitt Bf.109).

5 Эта система называлась GM-1, но существовала еще и водно-метаноловая система MW-50 сходного назначения. Возможно, отсюда и пошла путаница, упомянутая в начале колонки.

6 Торговый знак компании Nitrous Oxide Systems, Inc., основанной Майком и Дэйлом в 1978 году.

7 Токи утечки, по некоторым данным, составляют до 50 процентов потребляемой мощности процессора.

8 О том, какими видятся в сегодняшних прогнозах домашние компьютеры через 10–20 лет, мы постараемся рассказать в Cover Story следующего номера «ДК».

9 Самое место которым — в мощных рабочих станциях и серверах.