Новые технологии производства компьютеров

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.

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.

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.

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.

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.

8. Новые технологии. 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.

9. 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 20010 и 2020 годами.

нанотехнология  нанотранзистор биокомпьютер электроника

10. 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 – 0,000025 мм. По мнению Шапиро, современные достижения в области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера, которое можно применять для биомониторинга.