Тенденции развития средств вычислительной техники

Нанотехнологии

Нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это технологии манипуляции отдельными атомами и молекулами, в результате которых создаются структуры сложных спецификаций. Слово "нано" (в древнегреческом языке "nano" - "карлик") означает миллиардную часть единицы измерения и является синонимом бесконечно малой величины, в сотни раз меньшей длины волны видимого света и сопоставимой с размерами атомов. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это уже не количественный, а качественный переход: скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Мир таких бесконечно малых величин намного меньше, чем мир сегодняшних микрокристаллов и микротранзисторов.

Основа нанофизики и нанотехнологии создана именно в нашей стране. Теоретические и первые экспериментальные работы в этой области были сделаны выдающимся российским ученым и изобретателем профессором П.К. Ощепковым (1908-1992). В его работах - обоснование физики ультратонких или, как сейчас говорят, наноструктур.

Российский ученый впервые теоретически обосновал положение о том, что переход на уровень нано означает не только количественный, но и качественный переход в новое состояние материи. Кроме того, Ощепков впервые высказал основные положения современной нанотехнологии об использовании волновых свойств электронов и их способности к туннелированию на наноструктурах для создания принципиально новых энергетических устройств.

Сейчас работы в области нанотехнологий ведутся в четырех основных направлениях:

• молекулярная электроника;
• биохимические и органические решения;
• квазимеханические решения на основе нанотрубок;
• квантовые компьютеры.

На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии (Европейский Союз - примерно 15%, Япония - 20%). Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре и Тайване. Если в 2000 году суммарные затраты стран мира на подобные исследования составили примерно 800 млн.долларов, то в 2001 году они увеличились вдвое. По мнению экспертов, чтобы нанотехнологии стали реальностью, ежегодно необходимо тратить не менее 1 трлн.долларов.

В последнее время резко увеличилось количество публикаций о новых достижениях в области нанотехнологий. Самые свежие новости можно найти, например, на сайте http://www.nanonewsnet.com/. Ниже мы рассмотрим некоторые из них.

Наиболее значимые практические результаты достигнуты в области молекулярной электроники. Она логически близка к традиционной полупроводниковой электронике. Методами молекулярной электроники из углеводородных соединений удается получить аналоги диодов и транзисторов, а следовательно, и основные булевы модули И, ИЛИ и НЕ, из которых затем можно строить схемы любой сложности. Подобный подход позволяет сохранить преемственность архитектурных решений.

В 1999 году сотрудники компании Hewlett-Packard и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) смогли получить действующий молекулярный вентиль. Его толщина составляет всего одну молекулу. Первоначально он умел либо только открываться, либо только закрываться.

Исследователи из Йельского университета смогли продвинуться дальше: их вентиль может принимать любое из двух положений, что позволяет произвольно записывать в него 0 или 1. Обе группы работают над объединением вентилей в регистры.

По мнению аналитиков, предел миниатюризации для традиционной кремниевой электроники наступит через 10-15 лет, а число транзисторов в более сложных устройствах вроде электрических схем неуклонно растет.

Ученые из лаборатории Lucent Technologies Bell Labs сообщили о создании транзистора, который в миллион раз меньше крупицы песка.

Это событие может стать ключевым моментом в создании миниатюрных компьютерных микросхем с малым потреблением энергии. Транзисторы являются "мозгом" компьютеров и любых других электронных устройств. Используя органическую молекулу и химические внутренние процессы, исследователи уменьшили размер транзистора до 1-2 нанометров (миллиардной части метра), чего еще никому не удавалось.

При создании транзисторов использовалась техника "самосборки", когда молекулы фактически сами присоединяются одна к другой с помощью электродов, сделанных из золота. Это позволило уменьшить размер канала до 1-2 нм, причем использованная методика относительно недорога и позволяет увеличить плотность транзисторов на единицу площади. Хотя пока получен только экспериментальный образец, исследователи настроены весьма оптимистично и считают, что вскоре станет возможным строить микропроцессоры и микросхемы памяти из транзисторов размером с молекулу.

Ученые компании Philips разработали нанотранзистор, использующий эффект сверхпроводимости. Новые транзисторы состоят из арсенида индия и алюминиевых сверхпроводящих контактов, а заряд переносится не электронами, а куперовскими парами. Последние представляют собой спаренные электроны с противоположно направленными спинами. Как и в случае с обычными полевыми транзисторами, в новых элементах ток в канале между стоком и истоком регулируется напряжением на затворе. Известно, что эффекта сверхпроводимости можно достичь при очень низких температурах. При какой температуре элементы новых транзисторов проявляют сверхпроводящие свойства, разработчики не сообщают.

Арсенид-индиевые полупроводники размерами от 10 до 100 нм ученые получили с помощью сложного процесса выпаривания. По заявлению Philips, новые транзисторы не только могут стать основой для сверхпроводящих электронных наноцепей нового поколения, но и позволят более основательно изучить явление квантового переноса. Подробно свои исследования ученые собираются представить в одном из выпусков журнала Science.

О крупном достижении, "открытии, представляющем новое мышление в наноэлектронике" сообщили исследователи из двух американских университетов - Калифорнии в

Сан-Диего (UCSD) и Клемсона (Clemson University). Им впервые удалось сделать транзистор полностью из углеродных нанотрубок, разветвленных в форме буквы "Y" (рис. 17.1). Размер нанотранзистора - несколько сотен микрон, что примерно в 100 раз меньше компонентов, используемых в сегодняшних микропроцессорах.

Рис. 17.1. Нанотранзистор на углеродных нанотрубках (Изображение из журнала New Scientist)

В компании Hewlett Packard утверждают, что разработали методику изготовления микросхем, которая позволит продлить действие закона Мура по крайней мере на 50 лет.

По словам ученых, технология теоретически позволит создавать сверхбыстродействующие микросхемы для компьютеров следующего поколения. Другим достоинством методики является относительно низкая себестоимость производства чипов, для изготовления которых предполагается применять систему, напоминающую струйную печать.

Патент на предложенную технологию был получен компанией Hewlett-Packard еще в 2003 году, однако доказать жизнеспособность методики исследователям удалось значительно позже. Планируется, что первые гибридные микросхемы, содержащие и транзисторы, и "нанозащелки", появятся на рынке в первой половине следующего десятилетия. Изготавливаться такие чипы будут, предположительно, по 32-нанометровой технологии. Коммерциализация новой методики намечена на 2020-е гг.

Суть новой технологии состоит в следующем. Вместо транзисторов исследователи НР предлагают использовать так называемые "защелки", состоящие из трех нанопроводников и двух молекулярных переключателей. Два из этих проводников расположены параллельно друг другу и размещены над третьим под прямым углом (рис. 17.2). Молекулярные переключатели служат для соединения нанопроводников друг с другом. Причем переключатели всегда находятся в различных состояниях: один из них открыт, а другой - закрыт, или наоборот. Эти комбинации и соответствуют логическим 0 и 1.

Рис. 17.2. Нанопереключатели для микросхем следующего поколения

Успехи нанотехнологий можно отметить в области хранения данных. Так, фирма IBM создала прототип устройства памяти "многоножка" (Millipede), первое наноустройство хранения данных. Компания ожидает, что эта переломная технология завоюет рынок к 2006 или 2007 году. Новинка состоит из записывающей матрицы манипуляторов, которая включает в себя 4096 кантилеверов, выполненных как устройства чтения-записи (подобные кантилеверы используются сейчас в электронных и атомно-силовых микроскопах). Правда, у прототипа пока вчетверо меньше кантилеверов, но это не мешает сделать вывод о благоприятных рыночных перспективах продукта.

Теоретически квадратный чип с длиной стороны 2,4 см может хранить до 125 Гб данных, что эквивалентно емкости 25 дисков формата DVD.

Разрабатывается магнитная flash-память на основе углеродных нанотрубок. Ее архитектура довольно проста: каждая ячейка памяти состоит из двух пересекающихся нанотрубок, содержащихся внутри примеси железа или помещенных в ферромагнитное окружение (рис. 17.3). В нанопамяти роль слоев будут играть пересекающиеся нанотрубки, магнитную ориентацию которых можно менять с помощью электрических импульсов различной полярности. А считывать логическое состояние "1" или "0" будут более слабые электрические сигналы определенной полярности. Таким образом, если магнитная ориентация нанотрубок установлена противоположно посылаемому импульсу считывания, то по низкой величине тока импульса будет определяться значение "0". И наоборот - если магнитная ориентация нанотрубок совпадает с направлением электронов в импульсе, то амплитуда тока импульса будет соответствовать логической "1". Полученная память будет энергонезависимой.

Рис. 17.3. Матрица ячеек памяти из нанотрубок

Фирма Motorola продемонстрировала действующий прототип нового цветного дисплея, в котором используется множество микроскопических нитей, называемых углеродными нанотрубками (рис. 17.4). Прототип дисплея имеет размер 4,7 дюйма по диагонали и дает оптическое разрешение в 128х96 пикселей. Он должен стать элементом 42-дюймо-вого телевизионного экрана высокой четкости изображения с разрешением 1280х720 пикселей. В качестве источника электронов используются углеродные нанотрубки.

Рис. 17.4. Принцип действия дисплея NCD