Новые технологии производства компьютеров

Новые технологии производства компьютеров

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Нанотехноломгия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

В отличие от традиционных технологий нанотехнологии характеризуются повышенной наукоёмкостью и затратностью, а также междисциплинарностью и неэффективностью решения задач методом «проб и ошибок».

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу.

Актуальность темы

обусловлена значимостью нанотехнологий в нашей жизни, в глобальных масштабах мирового общества.

Слово компьютер происходит от английского слова «computer» что означает вычислитель. А это значит что компьютер ничто иное как машина для проведения вычислений. Однако в настоящее время полагают, что основные функции компьютеров — обработка и управление информацией. С помощью этих самых вычислений компьютер обрабатывает информацию по заранее определённому алгоритму. Большинство компьютеров могут сохранять информацию и осуществлять с ней какие либо действия, например выводить её (информацию) на различные виды устройств предназначенных для вывода информации (монитор, принтер и т. д.).

Наибольшее распространение среди компьютеров получили так называемые «электронно-вычислительные машины», ЭВМ. Собственно, для подавляющего большинства людей, слова «электронно-вычислительные машины» и «компьютеры» стали словами-синонимами, хотя на самом деле это не так. Наиболее распространённый тип компьютеров — электронный персональный компьютер.

1. Основные положения нанотехнологий

1.1 Понятие нанотехнологий

Технологией называется совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции.

Нанотехнология — высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами. Такая сверхточность позволяет на качественно новом уровне использовать законы природы на благо человека — создавать продукты с заданной атомарной структурой, поэтому разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении, электронике, экологии… С помощью нанотехнологии можно очищать нефть, победить многие вирусы, создавать роботов, защищать природу, построить сверхбыстрые компьютеры.

Нанотехнология — область науки и техники, занимающаяся изучением свойств частиц и созданием устройств, имеющих размер порядка нанометра. Приставка нано- - приставка СИ (метрической системы единиц), означающая одну миллиардную долю чего-либо, соответственно один нанометр = 10-⁹ метров. Также нанотехнологию иногда определяют как технологию манипулирования отдельными атомами и молекулами. Этот раздел нанотехнологии также называется «Молекулярной нанотехнологией», это весьма перспективный и многообещающий раздел. Нанотехнология ныне находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, все еще не сделаны. Тем не менее, проведенные исследования уже сейчас дают практические результаты. За применение передовых научных исследований нанотехнологию относят к высоким технологиям.

При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология, и в особенности молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. Однако классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не на много, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Само понятие «нанотехнология» было введено японцем Норио Танигучи (Norio Taniguchi) в 1974, он предложил называть так технологии и механизмы, размером менее одного микрона, а также дал краткое определение нанотехнологии, как: междисциплинарной, образующей технологии, позволяющей «технологично» (воспроизводимо, по описанным процедурам) производить исследования, манипуляцию и обработку вещества в диапазоне размеров и с допусками 0,1/100 нм.

Нанотехнологии смогут помочь человечеству достигнуть очень амбициозных (даже фантастических) задач:

· создание новейших промышленных технологий на атомарном и молекулярном уровнях;

· твердых тел и поверхностей (материалов и пленок) с измененной молекулярной структурой, что даст сверхпрочные металлы, ткани, пластмассы; самовосстанавливающиеся материалы;

· новых химических веществ посредством составления из молекул, т. е. без химических реакций;

· логических наноэлементов и нанокомпьютеров (миниатюризация и повышение вычислительной мощности компьютеров), и сверхпроводников нового типа (сверххолодных);

· вычислительных устройств на белковых молекулах;

· искусственных аналогов живых организмов (растений и животных);

· нанороботов, наномашин (нанодвигателей), прецизионных (точных) наноманипуляторов;

· роботов-врачей для имплантации в организм (для устранения генетических и физиологических повреждений на клеточном и надклеточном уровнях);

· нанороботов, наномашин (нанодвигателей), прецизионных (точных) наноманипуляторов;

· разработка самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем на базе биоаналогов — бактерий, вирусов, простейших;

Особенность нанотехнологии заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров. «Сырьем» являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии для нанотехнологии характерен «индивидуальный» подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как «бездефектные» материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы устройств с характерными нанометровыми размерами.

В силу того, что нанотехнология — междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы что и «классические» биология, химия, физика. Одним из основных методов исследования в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трехмерной структуры материалов).

Анализ текущего состояния бурно развивающейся области нанотехнологий, позволяет выделить в ней ряд важнейших направлений:

Молекулярный дизайн. Препарирование имеющихся молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях.

Материаловедение. Создание «бездефектных» высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью.

Приборостроение. Создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов, магнитных силовых микроскопов, многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов.

Электроника. Конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.

Оптика. Создание нанолазеров. Синтез многоострийных систем с нанолазерами.

Гетерогенный катализ. Разработка катализаторов с наноструктурами для классов реакций селективного катализа.

Медицина. Проектирование наноинструментария для уничтожения вирусов, локального «ремонта» органов, высокоточной доставки доз лекарств в определенные места живого организма.

Трибология. Определение связи наноструктуры материалов и сил трения и использование этих знаний для изготовления перспективных пар трения.

Управляемые ядерные реакции. Наноускорители частиц, нестатистические ядерные реакции.

1.2 Нанотехнологии в информационных технологиях

В развитых зарубежных странах нанотехнологиям уделяется большое внимание — создаются исследовательские институты, развернута подготовка специалистов. В США этими вопросами занимаются такие известные фирмы, как Intel, MEMS Industry Group, Sandia National Labs. Рассматриваемый круг вопросов — от ручки без разбрызгивания чернил до беспроволочной передачи данных, оптических устройств управления оружием и миниспутников. Агентство перспективных разработок МО США реализует программу «Умная пыль», направленную на создание сверхминиатюрных устройств, способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды, накапливать и передавать информацию.

Очень значимое достижение в области нанотехнологий — создание ядра операционной системы.

Ядро — центральная часть операционной системы (ОС), обеспечивающая приложениям координированный доступ к ресурсам компьютера, таким как процессорное время, память и внешнее аппаратное обеспечение. Также обычно ядро предоставляет сервисы файловой системы и сетевых протоколов.

На данное время уже выпущены операционные системы на основе 2, 4 и 6 ядер.

Так же, ученые из Пердью (штат Индиана, США) явили миру новый теплоотводный интерфейс, призванный защищать микросхемы будущего от перегрева. Ученые решили отказаться от традиционного интерфейса на мазевой основе, содержащей мелкие металлические частицы. Вместо этого они предложили выращивать теплоотводные элементы прямо на поверхности микросхемы. В результате поверхность чипа покрывалась целым лесом наноскопических углеродных нанотрубочек, которые и представляли собой основу нового теплоотводного интерфейса. Для выращивания нанолеса на поверхности полупроводника были нанесен рисунок с использованием специальных шаблонов из молекул с разветвленной цепью, именуемых дендримерами (dendrimers). Затем в точках разветвления рисунка были размещены частицы-катализаторы роста углеродных трубочек, выполненные из переходных металлов: железа, никеля, кобальта или палладия диаметром порядка 10 нм. Обработанные катализаторами полупроводники помещались в камеру с метановой атмосферой, где и происходил собственно процесс «выращивания» углеродных нанотрубок с диаметром, стремящимся к таковому частиц-катализаторов.

С точки зрения разработчиков, похожий на ковровое покрытие, углеродный нанолес превосходит по эффективности современные теплоотводящие материалы на мазевой основе. Еще одно неоспоримое преимущество новой технологии — отсутствие необходимости в «чистой комнате», т. е. процесс производства не требует создания специальных стерильных условий, что, несомненно, способствует скорейшему внедрению новой технологии в коммерческое производство.

2. Нанотехнологии в электронике

2.1 Границы нанотехнологий

Постоянно возникает вопросы: «Где же границы нанотехнологий, наноматериалов? Как отделить спекулятивное использование приставки „нано-“ от подлинной нанотехнологии?» На конференции «ЭЛЕКТРОНИКА XXI ВЕКА» (Цикл публичных лекций), состоявшейся в октябре 2008 г. на выставке «ChipEXPO-2008» прошла дискуссия на эту тему. Обсуждались такие варианты ответов.

Первый, как утверждали производители микросхем, они давно уже находятся в области нанотехнологий, поскольку имеют дело с малоразмерной литографией и т. п. Иначе говоря, для них нанотехнологии это обычная эволюция размеров в сторону уменьшения до наноразмеров, не более того. И потому ничего нового в нанотехнологиях они не видят.

Второй ответ связывают с длиной волны Дебройля, как порогом перехода к нанообласти. Например, если размеры частиц становятся сравнимыми с длиной волны фонона (кванта колебательной энергии), в ней могут возникать новые режимы передачи тепла и электричества. И это другая крайность — волна Дебройля близка к размерности 0,1 нм.

Третий ответ — переход в нанообласть связан с качественным изменением свойств материалов. Например, углеродные нанотрубки (графены) резко отличаются от обычных представлений о физико-механических свойствах электротехнических материалов — переход в нанообласть резко меняет качественные характеристики материалов.

Таблица 1. Сравнение необычных свойств углеродных нанотрубок с обычными материалами

Можно полагать, что для понятия нанотехнология еще не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует иметь ввиду, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход — скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

2.2 Эффекты нанотехнологий

Новые эффекты нанотехнологий связаны не только с уменьшением размеров компонентов систем. Благодаря более малым размерам ученые надеются выйти на новый качественный уровень полупроводниковой электроники и создать совершенно новые поколения процессоров.

На мономолекулярном уровне нанотехнологии позволяют получать качественно новые результаты. Например, разбивка сплошного материала на наночастицы увеличивает общую площадь поверхности в миллионы раз. Большая площадь поверхности означает увеличенную реактивную способность. Наноматериалы плавятся, воспламеняются и абсорбируют гораздо легче, чем их сплошные массивные аналоги. Например, массивный брусок золота является химически инертным, а золотое нанокольцо действует как катализатор. Ученые Ростокского Университета (Германия) полагают, что бессвинцовые припои могут плавиться при меньших температурах за счет введения в них определенных наночастиц.

Некоторые наноматериалы с уменьшением размеров (менее длины волны видимого света) становятся прозрачными. Благодаря этому эффекту ученые научились передавать свет через такие непрозрачные материалы, как, например, кремний.

Другие материалы становятся чрезвычайно прочными. Например, углеродные нанотрубки обладают очень высокой прочностью и гибкостью, поскольку их атомарная структура — это структура алмаза.

2.3 Нанотехнологии и квантовая механика

Однако в наномире все еще много загадочного. Например, наноматериалы не подчиняются законам механики Ньютона. Дело в том, что в наномасштабе доминируют законы квантовой механики. Этот раздел физики описывает поведение вещества на атомарном и ядерном уровне. На этих уровнях энергия, импульс и другие свойства изменяются не непрерывно, как на макроскопическом уровне, а дискретно, то есть неделимыми порциями, или квантами.

Законы механики Ньютона прекрасно объясняют движение планет и траекторию движения биллиардных шаров, а законы квантовой механики описывают поведение молекул, атомов и других объектов наномира. Механика Ньютона не может удовлетворительно объяснить стабильность атомов, а также такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

В отличие от классической механики, квантовая механика способна объяснить некоторые поистине необычные явления. Прежде всего, это корпускулярно-волновой дуализм — наличие у нанообъектов свойств, присущих волнам и частицам (на уровне волны Дебройля). Квантовая механика лежит в основе современной и будущей электроники. Применение ее законов для создания новых нанотехнологий станет залогом успеха в будущем.

2.4 Завтрашние микросхемы — системы нанотранзисторов

Ученые из Университета штата Иллинойс (США) создали биполярный транзистор, который способен работать с частотой 600 ГГц. Они предполагают в скором времени создать транзистор, который сможет преодолеть терагерцовый барьер и стать основой для высокоскоростных вычислений. Имея меньший размер, терагерцовый нанопроцессор будет содержать в 25 раз больше транзисторов, работать в 25 раз быстрее и потреблять меньше энергии, чем чип Pentium-4. Компания Intel планирует создать такой чип на основе нанотразисторов. Полевой транзистор на основе фосфида индия и арсенида галлия содержит коллектор, базу и эмиттер. Именно на таком транзисторе ученым удалось получить частоту 604 ГГц и славу создателей самого быстрого транзистора в мире.

Работающие на высоких скоростях транзисторы переносят ток высокой плотности и сильно перегреваются, настолько, что при этом может происходить плавление их отдельных компонентов. В новых композитных биполярных транзисторах поддерживается более низкая плотность тока. С помощью новых материалов ученые и инженеры стремятся повысить вероятность успешного создания терагерцового транзистора уже в недалеком будущем. Более быстрые транзисторы позволят создать более быстрые микропроцессоры, а значит более мощные компьютеры и эффективные электронные системы для связи, промышленности и армии.

Как все эти достижения связаны с нанотехнологиями? Запоследние 35 лет специалисты компании Intel научились создавать все более миниатюрные чипы и их компоненты. В настоящее время отдельные компоненты этих чипов уже вышли за пределы микрометрового диапазона в сторону наноразмеров, то есть стали меньше 100 нм. Сейчас ученые и инженеры компании Intel планировали перейти рубеж в 20 нм. Это достижение позволит компании Intel стать самой крупной нанотехнологической компанией в мире.

2.5 Наноминиатюризация на уровне ДНК

Одна из проблем в создании наноструктур — сборка компонентов в систему. Представление об использовании инструмента здесь не приемлемо. Действительно, как можно взять, переместить и точно поставить наноразмерный компонент на наноразмерную подложку? Германские ученые представляют себе процесс сборки в некоей жидкости, в которой плавают нанокомпоненты. Определенным образом ориентируясь, они подплывают к наноподложке и встают в нужные ее места, реализуя, таким образом, наносборку.

Другой принцип формирование сборок — использование биоэлектроники на основе молекул ДНК, способных стать основой компьютеров будущего. ДНК-чипы, которые также называют биочипами, уже сейчас являются частью биологических технологий в генетических исследованиях. ДНК-чипы состоят из молекул ДНК, которые располагаются на жесткой подложке (например, из кремния, стекла, пластика и т. п.). Технология ДНК-чипов может сыграть важную роль в реализации нанопроизводства.

Созданием ДНК-чипов занимаются некоторые крупные компании, включая Affymetrix, PE Applied Systems, HySeq, Nanogen, Incyle, Molecular Dynamics и Geometrix. В России такие чипы находятся на стадии научных исследований.

Электрически активные ДНК-чипы, которые генерируют контролируемые электрические поля в каждом пикселе, могут иметь потенциально перспективные приложения для нанопроизводств. Такие наноэлектронные устройства переносят заряженные молекулы, наночастицы, клетки и структуры наномасштаба к любому месту на поверхности устройства, формируя наносистему.

В вычислительных устройствах на основе ДНК электрические поля используются для регулирования процессов самосборки в заданных пикселях ДНК-чипа. Они также играют роль «материнских плат» для сборки молекул ДНК в сложные трехмерные структуры. Молекулы ДНК сами по себе обладают программируемыми и самоорганизующимися свойствами, поэтому их можно настроить для выполнения функций молекулярной электроники и фотоники.

2.6 Нанопровода

Методы очистки, распутывания, выпрямления и сортировки нанотрубок гораздо сложнее, чем методы выращивания кремниевых кристаллов. А создание электрических цепей на их основе — огромная техническая проблема, которую сейчас решают ученые и инженеры.

Гораздо проще работать с кремниевыми нанопроводами (нано-стержнями, или квантовыми проводами), которые являются следующим этапом развития кремниевой электроники. Как и нанотрубки, нанопровода могут образовывать сложные конфигурации из сверхмалых транзисторов, но они не обладают сверхвысокой прочностью нанотрубок. Нанопровода могут образовывать сложные системы с другими материалами. Кремниевые нанопровода научились делать благодаря огромным успехам современных электронных технологий. Дело в том, что ученые и инженеры могут контролировать их структуру и свойства так же, как делали это на протяжении многих лет.

Однако кремний — не единственный материал, пригодный для создания нанопроводов. Для разных целей могут применяться металлические или многослойные нанопровода из золота, меди или марганца. Нанопровода диаметром 12 нм можно использовать для оптических и электромагнитных систем, включая сенсоры и солнечные батареи.

Нанопровода создают в лабораториях с помощью подвешивания или напыления. В первом методе тонкий обычный провод подвешивают в вакуумной камере и уменьшают его толщину либо травлением, либо обстреливая его высокоэнергетичными частицами, либо вытягивая его из расплава.

Во втором методе напыленные нанопровода образуются на подложке, например, в виде ряда атомов металла на непроводящей поверхности. Это обычно достигается с помощью лазерной абляции («стирания») атомов нанопроводов.

Именно так получают нанопровода для полупроводниковых компонентов электрических схем.

Для создания компонентов электрических схем на основе нанопроводов отдельные нанопровода легируют, чтобы получить полупроводники n-типа или p-типа. Затем простой переход р-n-типа фиксируют посредством простого физического соединения провода р-типа с проводом n-типа или при помощи химического легирования различными примесями. За счет этого процесса переход р-n-типа можно получить с помощью всего одного провода. После создания переходов приступают к созданию логических затворов на основе нескольких переходов р-n-типа.

Несомненно, полупроводящие и проводящие нанопровода будут иметь огромное значение для будущих компьютеров, поскольку задействуют многочисленные преимущества нанотехнологий.

2.7 Управление нанопроцессами

Необходимость создания сложной электроники и электрических компонентов на молекулярном уровне способствовала быстрому появлению и развитию новых наномасштабных методов управления нанопроцессами. На этом уровне огромное значение имеют точные измерения для определения состояния процесса. Кинетические и квантовые эффекты существенно меняют электрические и тепловые свойства материалов и устройств. И их нужно вовремя регистрировать, чтобы управлять процессом.

Проводящие наноструктуры могут применяться для наномасштабных измерений. Некоторые лаборатории уже активно используют движение отдельных электронов в качестве стандартных измерительных инструментов электрического тока и емкости. Кроме того, ученые успешно измеряют свойства атомарных проводов и других электромагнитных наноструктур.

Будущие наноструктуры, вероятно, будут использоваться в чрезвычайно широком спектре — от квантовых вычислений до сенсоров отдельных частиц и атомарных взаимодействий. Квантовые эффекты очень слабы с точки зрения макромасштаба, а потому для их измерения и управления требуются более точные инструменты.

3. Новые технологии

3.1 V поколение ЭВМ

Переход к компьютерам пятого поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта.

Считалось, что архитектура компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них — собственно компьютер, в котором связь с пользователем осуществляет блок, называемый «интеллектуальным интерфейсом». Задача интерфейса — понять текст, написанный на естественном языке или речь, и изложенное таким образом условие задачи перевести в работающую программу.

Основные требования к компьютерам 5-го поколения: Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; Создание новых технологий в производстве вычислительной техники; Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.

Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторные команды.

3.2 Молекулярные компьютеры

Недавно компания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые из HP и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое — по существу, это означает создание молекулярного элемента памяти.

Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых HP, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.

Сама идея этих логических элементов не является революционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды таких же. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше.

Кроме того, молекулярные технологии сулят появление микромашин, способных перемещаться и прилагать усилие. Причем для создания таких устройств можно применять даже традиционные технологии травления. Когда-нибудь эти микромашины будут самостоятельно заниматься сборкой компонентов молекулярного или атомного размера.

Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений. Массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2005 и 2015 годами.

нанотехнология нанотранзистор биокомпьютер электроника

3.3 Биокомпьютеры

Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока эта чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки — это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.

Ихуд Шапиро (Ehud Shapiro) из Вейцманоского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки — 0,25 мм. По мнению Шапиро, современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга.

Более традиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для расшифровки генома живых существ. Пробы ДНК применяются для определения характеристик другого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК, можно определить возможное расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T и G).

Чтобы давать полезную информацию, цепочки ДНК должны содержать по одному базовому элементу. Это достигается при помощи луча света и маски. Для получения ответа на тот или иной вопрос, относящийся к геному, может потребоваться до 80 масок, при помощи которых создается специальный чип стоимостью более 12 тыс. дол. Здесь-то и пригодилась микросхема DMD от Texas Instruments: ее микрозеркала, направляя свет, исключают потребность в масках.

Билл Дитто (Bill Ditto) из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов будущего.

3.4 Оптические компьютеры

По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно.

Эти операции можно упростить, если заменить электронные компоненты чисто оптическими. Первыми станут оптические повторители и усилители оптоволоконных линий дальней связи, которые позволят сохранять сигнал в световой форме при передаче через все океаны и континенты. Со временем и сами компьютеры перейдут на оптическую основу, хотя первые модели, по-видимому, будут представлять собой гибриды с применением света и электричества. Оптический компьютер может быть меньше электрического, так как оптоволокно значительно тоньше (и быстрее) по сравнению с сопоставимыми по ширине полосы пропускания электрическими проводниками. По существу, применение электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетей примерно 50 Гбит/с. Чтобы достичь терабитных скоростей потребуются оптические коммутаторы (уже есть опытные образцы). Это объясняет, почему в телекоммуникациях побеждает оптоволокно: оно дает тысячекратное увеличение пропускной способности, причем мультиплексирование позволяет повысить ее еще больше. Инженеры пропускают по оптоволокну все больше и больше коротковолновых световых лучей. В последнее время для управления ими применяются чипы типа TI DMD с сотнями тысяч микрозеркал. Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передавать всего 2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей — уже 280 Мбит/с. Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности в 10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны в одном оптическом волокне.

Недавно компания Quest Communications проложила оптический кабель с 96 волокнами (48 из них она зарезервировала для собственных нужд), причем по каждому волокну может пропускаться до восьми световых лучей с разной длиной волны. Возможно, что при дальнейшем развитии технологии мультиплексирования число лучей увеличится еще больше, что позволит расширять полосу пропускания без замены кабеля.

Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров.

Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи — вплоть до «последней мили» на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты.

3.5 Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир — очень странное место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности.

Например, один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях «включено», «выключено» и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд комбинаций — вот истинный пример массово-параллельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона.

Уже есть несколько действующих квантовых компонентов — как запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или «псевдоатомов». Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической «1», а вторая — «0». Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Теоретики утверждают, что компьютер, построенный на принципах квантовой механики, будет давать точные ответы, исключая возможность ошибки. Так как в основе квантовых вычислений лежат вероятностные законы, каждый q-бит на самом деле представляет собой и «1», и «0» с разной степенью вероятности. В результате действия этих законов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.

Насколько близко мы подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всего необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно встроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученных, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2005 году, а в 2010;2020 годах должно начаться их массовое производство.

Заключение

Нанотехнология — без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом. Развитие нанотехнологий в информационных технологиях откроют для нас больше новых возможностей. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер.

1. Информационные системы и технологии в экономике и управлении / В. В Трофимов. — М.: Высшее образование, 2006. — 480 с.

2. Интеллектуальные информационные системы / А. В Андрейчиков. — М.: Финансы и статистика, 2006. — 424 с.

3. Основы прикладной нанотехнологии / Балабанов В. И., Абрамян А. А. — Магистр-пресс, 2007. — 206 с.