Пройдет еще 50 лет, и гибридная молекулярная электроника, предусматривающая совместное использование молекулярных и кремниевых компонентов, придет на смену привычным сетям.
Нанотехнологии должны привести нас в мир автоматизированных систем, обладающий способностью самостоятельно восстанавливать свою архитектуру и изменять конфигурацию микросхем. Он будет связан беспроводными сетями, построенными на основе чувствительных элементов, и настольных компьютеров, которые станут самостоятельно загружаться и автоматически выставлять клиенту счет на оплату. Такой точки зрения придерживается старший научный сотрудник Института глобального будущего Чарлз Остман. Он полагает, что в настоящее время ИТ находятся в состоянии перехода от систем, управляемых человеком, к оптимизированным локализуемым органическим узлам.
Впрочем, слово «футуристический» довольно редко употреблялось при обсуждении тем, вынесенных на недавно завершившуюся конференцию Nanotech Planet Conference and Expo. Непринужденная беседа затрагивала самые различные аспекты, начиная от существующих уже сегодня конструкций, прототипы которых недавно можно было найти разве что в фантастических фильмах наподобие Star Trek, и заканчивая клонированием клеток и внеземными формами жизни.
Нанотехнологии или, по крайней мере, научные исследования, ведущие к их появлению, уже не кажутся чем-то далеким и нереальным. Федеральное правительство США, начавшее финансировать программу National Nanotechnology Initiative еще в 1996 году, запланировало выделить на нее в течение текущего года 570 млн. долл. (на 35% больше, чем в 2001 году).
Что такое нанотехнология?
Нанотехнология, находящаяся на стыке физики, химии, биологии и информатики, описывают закономерности, происходящие на атомарном уровне.
Блоки, измеряемые в нанометрах (нанометр равен одной миллиардной метра), можно использовать для создания молекулярных электронных коммутаторов или миниатюрных вариантов полнофункциональных логических схем компьютера.
Выступавшие на конференции ученые, работающие в области нанотехнологий, полагают, что открывающаяся возможность размещения терабайтов информации на одной микросхеме заставит производителей бытовых роботов, игровых устройств и фототехники начать постепенный переход от так называемой кремниевой электроники к электронике молекулярной.
Пройдет еще 50 лет, и гибридная молекулярная электроника, предусматривающая совместное использование молекулярных и кремниевых компонентов, придет на смену привычным кремниевым коммутируемым сетям. В результате, задачи сегодняшних компьютеров будут выполняться устройствами, потребляющими гораздо меньше энергии и легко умещающимися на ладони.
Несмотря на то, что исследования на наноуровне ведутся довольно активно, готовых нанотехнологий на сегодняшний день еще практически не существует. По словам научного сотрудника исследовательской лаборатории компании Hewlett-Packard и директор центра HP Quantum Science Research Стэнли Уильямса, эту область можно разделить на пассивные и активные нанотехнологические структуры. Пассивные наноструктуры, как и любые чувствительные элементы, выполняют простые, заранее определенные задачи. Активные наноприложения отвечают за перенос информации между наноструктурами.
Пассивные структуры (например, те, которые используются сейчас в огнеупорных материалах или водонепроницаемых шинах) доступны уже сегодня. Активные наноприложения требуют больших капиталовложений в научные исследования; их еще предстоит создавать.
Вычислительные технологии, работающие на наноуровне, позволяют надеяться, что производительность интегральных схем будет расти, а их размеры и энергопотребление — уменьшаться.
Таким образом в одну микросхему можно будет встроить больше вычислительных узлов, а стоимость их окажется ниже по сравнению с кремниевыми решениями. Память, функционирующая на молекулярном уровне, поможет в миллионы раз увеличить плотность размещения информации.
Сегодня сборка наноустройств осуществляется последовательно по одной молекуле, при этом в каждом устройстве необходимо объединить и точно упорядочить миллионы таких молекул. Выполнение подобных процедур очень трудоемко. Поэтому не удивительно, что следующим этапом должна стать автоматическая сборка, автоматическое упорядочение молекулярной структуры в пределах какого-то шаблона или устройства.
Уильямс считает, что новой технологии не стоит бояться: «Нанотехнологии не смогут сделать нас бесконечно богатыми. А нанороботы не перевернут мир и не уничтожат человечество».
Нанопроизводство изнутри
При производстве нанокомпонентов — они фигурируют под названиями «buckyballs» («бакиболы», «футбольные мячи»), «nanowires» («нанопровода») и «nanotubes» («нанотрубки») — ученые применяют атомно-силовые микроскопы (atomic force microscopy, AFM) и сканирующие туннельные микроскопы (scanning tunneling microscopy, STM).
Технологии AFM и STM используются для создания топографических схем расположения атомов, для проталкивания и вытягивания атомов на отведенное им место.
Литография электронных лучей, аналогичная фотолитографии, применяется при производстве микросхем. Более точный контроль достигается за счет использования электронного луча сканирующего электронного микроскопа, который позволяет вытравливать элементы с точностью до нанометра.
Эти средства необходимы для построения бакиболов, молекул, напоминающих по своей форме футбольный мяч и содержащих 60 атомов углерода.
При соединении с другими атомами (например, азота) они приобретают дополнительную прочность и эластичность. Потенциальной областью применения таких веществ является создание защитной поверхности жестких дисков.
Кристаллические углеродные трубки, называемые также нанотрубками, похожи на бакиболы, но включают в себя многие тысячи атомов. Нанотрубки имеют самые различные формы, размеры и электрическую проводимость. Свернутые в цилиндры, которые напоминают проволочную сетку, они играют роль полупроводников, пропускающих электрический ток.
Ученым уже удалось собрать на основе нанотрубок-полупроводников базовые электронные компоненты (например, транзисторы — логические ворота компьютеров). Разработаны также и кремниевые нанотрубки.
90 нанометров компании Intel
Серийное производство процессоров Intel по технологии с нормой проектирования 90 нм начнется в будущем году. Выпускаемые в настоящее время процессоры Pentium 4 изготавливаются в соответствии с нормой проектирования 130 нм. С уменьшением нормы проектирования увеличивается число транзисторов, которые можно разместить на кристалле.
В процессорах, которые планируется выпускать по новой технологии, также впервые будет использована методика растянутого кремния, когда поверх кремниевой подложки помещается слой из сплава с более растянутой атомной решеткой. В результате атомная решетка кремния также растягивается, что повышает скорость перемещения по ней электронов, и, как следствие, увеличивает быстродействие процессора. Медные межсоединения внутри процессоров изолированы при помощи диэлектрика с низкой диэлектрической проницаемостью, что ускоряет протекание тока по разводке и снижает общее энергопотребление микросхемы.
Для выпуска процессоров по новой технологии можно будет использовать около 75% оборудования производственных линий, применявшихся для изготовления микросхем с нормой проектирования 130 нанометров.
— Том Кразит, Служба новостей IDG, Сан-Франциско
Время думать о малом
|
| Дейв Холцман и Марк Модзелевски: «Производство с использованием нанотехнологии свободно от тех дефектов, которые возникают при обычном производственном процессе» |
В беседе с главным редактором еженедельника InfoWorld Майклом Визардом они объясняют столь быстрое развитие этой отрасли.
Почему вы посчитали необходимым создать новую организацию — NanoBusiness?
Марк Модзелевски (ММ): Сейчас достаточно четко оформилась технология, которая действительно будет полезна в самых различных областях. Можно даже сказать, что она затронет большинство аспектов нашей жизни. И поскольку часть результатов поступает из университетских лабораторий и государственных научных центров, возникает немало вопросов, связанных с реализацией технологии.
Вопросы появляются у исследователей, пытающихся стать предпринимателями, а это, как известно, далеко не всегда так просто сделать.
Мы пытаемся объединить различные составляющие, привносимые в отрасль учеными, молодыми фирмами, университетами, чиновниками, фондами венчурного капитала и корпорациями.
Мы хотим завязать диалог и разобраться, что именно требуется отрасли для того, чтобы развиваться быстрее.
Как сейчас заявляет о себе нанотехнология?
ММ: Точного определения нанотехнологии пока не существует даже среди ученых и, конечно же, его нет и у тех, кто представляет венчурный капитал. В общем смысле речь идет о возможности работать на уровне атомов и молекул. Есть отверждающие реагенты для красок, которые применяются в военно-морском флоте, и композитные материалы, уже используемые в ИТ, и так далее.
Дейв Холцман (ДХ): Кроме того, не следует забывать о фармацевтике и биотехнологии. А еще мне рассказывали о применении нанотехнологии для упрощения молекулярного конструирования новых фармацевтических препаратов. За счет воссоздания более простых геометрических форм они сокращают число параметров при вычислениях, что определяет эффективность любого конкретного фармацевтического препарата.
И каковы дальнейшие шаги в этом направлении?
ДХ: Производство с использованием нанотехнологии свободно от тех дефектов, которые возникают при обычном производственном процессе (швы, стыки или еще что-то подобное). Кроме того, существуют и такие сферы применения, как квантовые вычисления, которые пропагандирует IBM и многие другие компании. Они обещают продлить действие Закона Мура и кардинально снизить тепловыделение.
ММ: Если проанализировать большинство создающихся сейчас полупроводниковых устройств, то становится понятно, что они по существу двухмерны. Нанотехнология позволит изменить подход к проектированию и создать устройства хранения с объемной записью информации. При этом удастся добиться экспоненциального увеличения скорости и емкости.
И в итоге какое значение это все будет иметь?
ДХ: Это кардинально изменит ситуацию, поскольку вы сможете делать очень многое, располагая весьма ограниченными ресурсами. Преимущество, которым обладают страны с богатыми природными ресурсами, сойдет на нет. Мы намерены добиться изменения расстановки сил в мире с развитием этой технологии.