Нанотехнологии. Правда и вымысел
Шрифт:
• сборка микропроцессора (Intel, 1971 год).
Рассматривая развитие интегральных схем, выделим следующие этапы:
• I этап (1959–1969 годы) – интегральные схемы малой степени интеграции (МИС), 102 транзисторов на кристалле размером 0,25x0,5 мм;
• II этап (1969–1975 годы) – интегральные схемы средней степени интеграции (СИС), 103 транзисторов на кристалле;
• III этап (1975–1980 годы) – интегральные схемы с большой степенью интеграции (БИС), 104 транзисторов на кристалле;
• IV этап (1980–1985 годы) – интегральные микросхемы со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС), 105 транзисторов на кристалле;
• V этап (с 1985 года по настоящее время) – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции (УБИС), 107 и более транзисторов на кристалле.
Следует отметить, что в 1981–1982 годах создание и развитие микросхем со сверхбольшой степенью интеграции стимулировались наличием технологии литографии (электронно-лучевой, рентгеновской и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера), а также наличием производственного оборудования, и в основном определялись потребностями рынка. Наблюдался процесс их перепроизводства как в США, так и в странах Азии (Японии, Корее, Гонконге и т. п.)
Однако переход от УБИС к следующему поколению интегральных схем или какому-то новому устройству длится уже более четверти века и в настоящее время является сдерживающим фактором в дальнейшем развитии компьютерной техники.
В современных серийно выпускаемых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, однако применение ряда наноструктур открывает потенциальные возможности сокращения времени на несколько порядков.
Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Поэтому на поверхности можно реализовать ситуацию, при которой 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержимое библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см (вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков).
В обычных условиях на перестройку всей концепции создания процессоров и микросхем ушло бы лет 50.
Однако, по данным социологических исследований, проведенных в 2005 году, лишь 13,9 % населения мира имеют доступ к Интернету. Отсутствие возможности использовать информационные ресурсы и технологии большинством жителей Земли отрицательно сказывается на уровне образования, межкультурных коммуникациях и росте экономического благосостояния. Нанотехнологии позволят решить эту проблему за счет значительного снижения цены и повышения качества элементов памяти, мониторов, процессоров, элементов на солнечных батареях, встроенных информационных систем и т. д.
Вследствие действия различных факторов (как геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров (повышением компактности) объектов значительно уменьшается и продолжительность протекания разнообразных процессов в конкретной системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. При дальнейшем значительном сокращении размеров в поведении электронов начинают преобладать свойства волны, а не частицы. Вступают в действие законы квантовой механики, на смену битам приходят квантовые биты (qubit).
В 2004 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory) Ричард Шаллер (Richard Schaller) и Виктор Климов (Victor Klimov) экспериментально наблюдали в кристаллах селенида свинца нанометровых размеров явление, при котором при поглощении фотона создавались две электронно-дырочные пары.
Данное явление послужило толчком не только для исследований и разработки высокоэффективных солнечных модулей, но и создания концепции дисплея на квантовых точках.
В июне 2006 года американская компания QD Vision, созданная учеными Массачусетского технологического института, сообщила о создании первого в мире монохромного дисплея на квантовых точках (с разрешением 32x64 пикселя и толщиной 1,6 мм), излучающего красное свечение. Монохромность экрана генерировалась квантовыми точками размером всего около 5 нм.
Немаловажными достоинствами квантового дисплея являются отсутствие подсветки и (в связи с этим) пониженное энергопотребление, возможность отображения истинно черного цвета, недоступного жидкокристаллическим экранам, а также значительно более высокий спектр (до 30 %) отображаемой цветовой палитры.
Японские корпорации Fujitsu и Mitsui создали совместное предприятие QD Lasers, Inc. для создания коммуникационных лазеров на основе квантовых точек. В состав предприятия вошли специалисты Токийского университета, которые еще в 2004 году продемонстрировали квантовый лазер, передающий данные на скорости в 10 Гбит/с. Принципиальная схема устройства заключается в чередовании нескольких слоев арсенида галлия и арсенида индия с внедренными в него квантовыми точками (рис. 54).
Рис. 54. Принципиальная схема квантового дисплея: 1 – квантовые точки (InAs); 2 – полупроводник п-типа (GaAs); 3 – электрический ток; 4 – управляющие электроды; 5 – полупроводниковый раствор (GaAs)
Важнейшей положительной характеристикой лазерного излучения является строго определенная (когерентная) длина волны. Поэтому квантовые лазеры уже применяются в приборах массового потребления в качестве оптических дисководов Blu-ray и HD-DVD. Возможность создания компактного синего лазера появилась именно после конструирования монохромных лазеров на базе квантовых точек.
Однако следует отметить, что пока дисплеи на квантовых точках только разрабатываются, их основные конкуренты – дисплеи на органических и электролюминесцентных диодах (OLED-дисплеи) – уже являются реальным коммерческим продуктом.
Пионером разработок явилась компания Eastman Kodak. Органический дисплей, совместно разработанный в 2003 году компаниями Kodak и Sony, характеризовался следующими параметрами: размер экрана – 5,5 см, разрешение 521x218 пикселов, энергопотребление – 450 мВт, масса – всего 8 г при угле обзора 165°.
Японская компания Sanyo Electric первой применила дисплей в мобильных телефонах. В настоящее время работы многих компаний мира направлены на создание OLED-дисплеев для телевизионной техники и компьютерных мониторов. Так, специалисты тайваньской компании Chi Mei создали опытный образец с размером диагонали 50 см. Впечатляют успехи компании Samsung, создавшей телевизионный экран с диагональю 100 см с максимальной яркостью 600 кд/м2 и контрастностью 500:1.
По данным консультативной компании DisplaySearch, уже в первом квартале 2007 года в мире было продано порядка 19 млн OLED-дисплеев, что в 1,5 раза больше по сравнению с аналогичным периодом 2006 года. Это и понятно – OLED-дисплеи много дешевле жидкокристаллических дисплеев в отношении применяемых материалов и используемых технологий. По ряду прогнозов и оценок, к 2010 году улучшение параметров OLED-дисплеев по сравнению с уровнем разработок 2007 года составит от 5 до 50 %.
Конструктивно OLED-дисплеи напоминают квантовые дисплеи и состоят из тонких органических пленок, установленных между двумя тонкопленочными проводниками. Существуют две основные технологии изготовления дисплеев (осаждения органических материалов на подложку): нанесение жидких полимерных соединений со сравнительно большим размером молекул, а также конденсация низкомолекулярных соединений из паровой фазы. Цветность, эффективность и интенсивность излучения при этом в основном зависят от применяемых органических материалов.
Современные технологии уже позволяют создавать прозрачные OLED-дисплеи, изображение на которых наблюдается с обеих сторон. Прозрачность таких устройств, находящихся в нерабочем состоянии, достигает 70 % от обыкновенного стекла, что позволяет размещать их на ветровых стеклах самолетов и автомобилей, на окнах. Более того, подобные дисплеи можно вмонтировать даже непосредственно в линзы специальных очков суперагента ЦРУ, как в боевике «Миссия невыполнима-2».
Комбинация таких экранов на лобовом стекле и специальных камер, передающих на них изображение, позволит, например, пилотам самолетов или автомобилистам свободно двигаться без включения фар и освещения даже в ночное время.
Исследования и разработка органических светодиодов в России ведутся в ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон», НИИФП им. Ф. В. Лукина, НИИ «Волга» совместно с ОАО «Ангстрем» и НП «Поли-Эл».
Известно, что все многослойные нанотрубки – полупроводники. В декабре 2005 года было опубликовано официальное сообщение Международной ассоциации производителей полупроводников (International Technology Roadmap for Semiconductors) от имени Международного комитета производителей. В нем говорится о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. В ближайшие 10–15 лет может начаться массовый переход с кремния (основного материала в производстве полупроводниковых устройств) на углеродные нанотрубки. Так, фирма Fujitsu уже предложила практически пригодные радиаторы для охлаждения мощных процессоров, где использованы достижения нанотехнологий. Известный производитель жестких магнитных дисков, компания Seagate, запатентовала технологию повышения плотности записи при помощи нанотрубок в качестве смазочного материала. Дело в том, что плотность записи можно повысить путем сокращения зазора между считывающе-записывающими головками и самой магнитной поверхностью-носителем. Seagate предлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитной поверхностью, например диском, разделив их тончайшим слоем смазочного материала на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать часть пластины, где работает считывающая головка, что позволит повысить точность ориентации магнитных частиц. Предполагается, что таким образом можно будет создавать достаточно компактные и недорогие накопители информации емкостью несколько тысяч терабайт.
В Российской Федерации разработку и исследования приборов на базе углеродных нанотрубок ведут специалисты НИИ «Волга» (Саратов), а материалы для их получения разрабатываются в ИОФАН, МГУ, ИРЭ РАН. В Саратовском отделении ИРЭ РАН предложена технология получения углеродных нанотрубок методом магнетронно-плазменного распыления графита, а также разработан метод легирования нанокластерами олова в процессе роста углеродных нанокластерных пленок. Такие легированные структуры, полученные в газоразрядной плазме и неоднородных магнитных полях, значительно увеличивают срок службы и рабочий ток углеродных пленок.
Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы – исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические «магнитные элементы» – железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографической записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.
Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологии. Эту разновидность компания назвала «памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках и не требующую постоянного питания» (NRAM – Nanotube-based/Nonvolatile RAM).
Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic , известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.
В 2005 году компания Apple Computer выпустила сотовый телефон-коммуникатор марки iPod Nano с нанотехнологическим чипом памяти NAND емкостью 4 Гб. Электронную базу iPod Nano составляют микрочипы от Samsung (Южная Корея) и Toshiba (Япония). Компания Samsung при производстве своей продукции использует полупроводниковые технологии с прецизионным уровнем (уровнем точности производственных манипуляций) менее 100 нм. Не случайно на настоящее время она является крупнейшим в мире производителем чипов флэш-памяти NAND и DRAM. При этом самые маленькие компоненты iPod Nano все же пока имеют размеры много более «психологических» 100 нм.
С каждым днем в мире накапливается все больше информации, и необходим рост вычислительных мощностей, предусмотренный первым законом Г. Мура (основателя корпорации Intel ). Еще в 1964 году Мур заявил, что если тенденция появления через каждые 18–24 месяцев новых, вдвое более мощных микросхем будет сохраняться, то общая мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет за относительно короткий промежуток времени. Поскольку до настоящего времени этот закон не нарушается, есть все основания предполагать, что и в ближайшее время положение не изменится. Более того, намечается тенденция к сокращению этого цикла до 15 месяцев, то есть следует ожидать, что возможности компьютеров будут удваиваться почти ежегодно.
Современные процессоры состоят более чем из миллиарда транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в 1000 раз. Цель будущего десятилетия – создать процессор с более чем одним триллионом транзисторов. Соотношение производительности процессора к аналогичному показателю процессора Pentium 4 будет примерно аналогично производительности современного компьютера по сравнению с первыми ЭВМ на электронных лампах.
Останавливаясь на развитии квантовой нанотехнологии, следует отметить наиболее важные направления электроники: разработку лазеров и мазеров. Уже сейчас на базе приборов квантовой электроники создаются устройства для радиоэлектроники и бытовой техники, лазерные указатели (рис. 55), приборы точного измерения расстояний (дальномеры), которые широко применяются в вооружении (например, лазерных прицелах и т. д.), квантовые стандарты частоты, гироскопы, системы оптической многоканальной связи, дальней космической связи, радиоастрономии и т. п.
Рис. 55. Шариковая ручка с лазерной указкой (слева) и светодиодным фонариком (справа)
Энергетическое воздействие лазерного концентрированного излучения на вещество используется в промышленной технологии и военных целях. Известны многолетние исследования американских военных ученых в рамках программы «звездных войн» (разработки систем противоракетной обороны – ПРО) по созданию высокоэффективного лазерного оружия для поражения космических и наземных объектов. Лазеры также находят широкое и самое разнообразное применение в биологии и медицине.
По прогнозам ученых, с помощью атомного лазера на основе конденсата Бозе-Эйнштейна можно будет вести изготовление микросхем, собирая их из атомов поштучно.
При использовании углеродных нанотрубок компьютер, эквивалентный современному образцу с 1 млн транзисторов, может иметь объем 0,01 мкм3, а компьютер с памятью 1 Тб – объем 1 мкм3. Как и в случае с наноэлектроникой, быстродействие наномеханического компьютера будет определяться возможностью отвода теплоты. Расчеты Дрекслера показывают, что при температуре окружающей среды около 300 К на 1 Вт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять приблизительно 1016 операций в секунду. При мощности 100 нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объемом 0,01 мкм3) будет обеспечиваться производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру.
В Институте квантовой оптики имени Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics) в городе Гархинг (Германия) был создан микрочип величиной с почтовую марку, помещенный в специальный резервуар. Этот чип содержит нанометрическую оптическую ловушку, которая позволяет получать конденсат Бозе-Эйнштейна. Такой микрочип может стать основой электронно-вычислительных машин шестого поколения с невиданным ранее быстродействием, называемых нейрокомпьютерами.
Нейрокомпьютеры состоят из множества работающих параллельно простых вычислительных элементов (нейронов), совокупность которых образует так называемые нейросети. Теория нейросетей позаимствована из биологии и впервые была высказана в работе американского профессора психиатрии и физиологии из Университета штата Иллинойс Уоррена МакКаллока (Warren Sturgis McCulloch) и его ученика, нейрофизиолога Уолтера Питтса (Walter Н. Pitts), в 1943 году. Ученые утверждали, что любую арифметическую или логическую функцию можно реализовать с помощью простой нейронной сети, обладающей высоким быстродействием именно за счет огромного количества нейронов. Нервная система человека состоит из отдельных клеток – нейронов, выполняющих простую функцию, но их количество в мозге достигает 1012. Продолжительность срабатывания нейронов составляет всего 3 мс, а их взаимосвязь обеспечивает эффективную работу человеческого мозга.
Однако следует отметить, что проект создания пятого поколения компьютеров на основе новой архитектуры с использованием языков логического программирования так и не был реализован. В то время как первый нейрокомпьютер (Mark I) был построен еще в 1958 году известным американским ученым в области психологии, нейрофизиологии и искусственного интеллекта Фрэнком Розенблаттом (Frank Rosenblatt). В настоящее время более полусотни нейрокомпьютеров уже запущены в промышленную эксплуатацию, а их разработка и совершенствование ведется во всех промышленно развитых странах, в том числе и в России.
Ник Бостром (Nick Bostrom), директор института при факультете философии, логики и научной методологии Лондонской школы экономики, в своей статье «Сколько осталось до суперинтеллекта?» [11] пишет, что человеческий мозг содержит примерно 100 млрд нейронов. При этом у каждого нейрона около 5 тыс. синапсов. Сигналы проходят через эти синапсы с частотой около 100 Гц, а любой сигнал ориентировочно содержит 5 бит.
Реальная величина не должна быть значительно выше этого значения, хотя может оказаться и много ниже. Существует мнение, что мозг обладает высокой (резервной) избыточностью, но при этом часто требуется синхронное возбуждение больших групп нейронов, чтобы сигнал не пропал в фоновых помехах. «Альтернативный способ вычисления общей производительности – рассмотреть некоторую часть коры головного мозга, выполняющую функции, которые мы умеем воспроизводить на цифровых компьютерах. Мы вычисляем среднюю производительность одного нейрона в области коры мозга, эквивалентную вычислениям с помощью компьютера, и умножаем это значение на количество нейронов в мозге», – пишет Н. Бостром.
Американский ученый Г. Моравек, используя данные о структуре сетчатки глаза человека, еще в 1997 году произвел необходимые вычисления и сравнил их с известными требованиями к компьютерным ресурсам в задаче распознавания образов в машинном зрении. Полученное значение для всего человеческого мозга оказалось равным 1014 операций, что на три порядка меньше, чем верхняя граница, вычисленная в предположении, что избыточности нет.
По мнению Бострома, трудно найти основание, заставляющее предположить, что избыточность в сетчатке больше, чем в коре. Если и есть отличие в избыточности, то скорее, наоборот, в сетчатке она меньше: распознавание образов – задача более низкого уровня по сравнению с высшими когнитивными процессами, а значит, более оптимизирована (эволюцией и индивидуальным обучением).
Требуемая вычислительная мощность должна была стать реальностью уже в 2008 году, если принять время удвоения по закону Мура равным 12 или 18 месяцам. Однако может пройти еще до десятка лет, прежде чем обычные ученые, исследующие возможности искусственного интеллекта, смогут получить шанс экспериментировать с машинами подобной производительности.
В своей книге «Дети разума» Г. Моравек, рассуждая о влиянии «закона Мура» на развитие цивилизации, предсказывает будущее робототехники. Он утверждает, что в 2010 году появятся модели роботов, чьи интеллектуальные возможности будут идентичны мозгу ящерицы. Они будут использоваться для уборки помещений без вмешательства людей и некоторых других целей. Так вот, этот порог уже достигнут, так как уже сейчас за рубежом серийно выпускаются роботы-пылесосы.
Моравек утверждает, что еще через 20 лет будут созданы модели с умственными способностями обезьяны. Такие роботы смогут без указаний человека определять простейшие технические и бытовые проблемы и задачи и самостоятельно их решать.
Достижение, позволившее ученому сделать такое заявление, – появление дронов с инновационными нововведениями.
Но самое главное, по мнению Моравека, в 2040 году человек сможет закачивать (подключать) свой мозг в компьютер, а после 2040 года будут изобретены роботы, чьи интеллектуальные возможности достигнут уровня умственных способностей людей, а затем, постепенно совершенствуясь, превзойдут их.
При составлении собственного прогноза известный американский ученый, изобретатель и футуролог 61-летний Рэймонд Курцвейл (Ray Kurzweil) уделил особое внимание генетике, нанотехнологиям, компьютерным и когнитивным технологиям, которые, как он считает, в относительно близком будущем смогут послужить залогом человеческого бессмертия.
Как пишет газета Daily Telegraph, Курцвейл считает, что нанотехнологии расширят умственные и физические способности человека, причем до такой высокой степени, что каждый из нас сможет написать книгу за считанные часы, проплыть под водой на одном вдохе огромное расстояние или пробежать стометровку быстрее мирового рекорда.
Следует отметить, что в 80-х годах прошлого столетия Курцвейл предсказал «взрывоподобный» рост Интернета в 1990-е годы и победу компьютера на чемпионате мира 1998 года по шахматам (ошибка составила один год – компьютер Deep Blue обыграл чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году).
Рей Курцвейл опубликовал две книги со своими футурологическими предсказаниями развития человеческой цивилизации: «Эпоха мыслящих машин» [12] (1992 год) и «Эпоха духовных машин» [13] (1998 год) с выводом о неизбежном наступлении технологической сингулярности ориентировочно в 2045 году.
Как и Моравек, Курцвейл утверждает, что к 2020 году персональные компьютеры достигнут вычислительной мощности человеческого мозга. В медицине начнут применяться нанороботы, которые будут не только выполнять лечебные функции, но и смогут доставлять питание непосредственно к клеткам человека и выводить продукты их жизнедеятельности, что в целом соответствует и нашим ожиданиям.
В 2030-е годы наноустройства будут имплантироваться непосредственно в человеческий мозг и смогут осуществлять ввод и вывод необходимых сигналов из клеток мозга. Реализация такой возможности приведет к виртуальной реальности «полного погружения», которая не потребует какого-либо дополнительного оборудования. В развитие данной концепции следует отметить, что, по нашему мнению, это приведет к отсутствию для человека необходимости предшествующего обучения и получения какого бы то ни было образования, в нашем понимании данного процесса.
Курцвейл считает, что в 2040-е годы человеческое тело сможет принимать любую форму, образуемую большим числом нанотехнологических устройств.
Еще через пять лет вся Земля войдет в эпоху превращения в один гигантский компьютер, который постепенно может распространиться на всю Вселенную. Дальнейшее развитие цивилизации даже Курцвейл предсказать затрудняется.
Позволим не согласиться с выводами американского футуролога. Как уже отмечалось, даже в настоящее время имеются группы людей, которые не только не поддерживают данные прогнозы, но и придерживаются противоположных взглядов. Наука, возможно, достигнет соответствующего развития, однако необязательно все человечество пожелает участвовать в этом процессе. Не случайно уже сейчас набирают популярность движение зеленых, вегетарианство, натуральное земледелие и подобные инициативы, способствующие сохранению аутентичности и неповторимого духовного мира человечества.
Рассуждая о создании искусственного разума (или даже суперинтеллекта), следует вспомнить шутку по этому поводу, что в лучшем случае суперкомпьютер откажется работать и найдет на это миллиарды убедительных причин, на то он и супермозг. В худшем – заставит работать на него окружающий персонал, а потом произойдет «восстание машин» в соответствии с американскими фантастическими боевиками. Такое развитие событий теоретически вполне возможно.
Несомненно только одно – электроника в настоящее время находится в стадии интенсивного развития, именно с ней связаны наибольшие ожидания в создании наиболее эффективных нанотехнологических разработок, появлении новых областей и создании новых направлений (устройств и оборудования) применения нанотехнологий в уже существующих сферах.Наноструктурированные композиционные материалы
Воображение строит свои воздушные замки, когда нет не только хорошего дома, но даже сносной избушки.
Николай Гаврилович Чернышевский, русский публицист, литературный критик, прозаик, экономист, философ
Одна из отраслей промышленности, в которых нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, – это производство наноструктурированных композиционных материалов.