Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

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.