Лекция № 4. Нанотехнология: сверхзадачи

Говорить о сверхзадачах, рассматривая проблемы нанотехнологии, представляется вполне уместным. По существу, все это направление родилось именно из вполне конкретной сверхзадачи (если не сказать – мечты о «сборке вещей атом за атомом»), сформулированной К. Дрекслером в работах, опубликованных еще в 80-х годах [5].

На сегодняшний день можно выделить несколько значимых проблем, которые стоят перед нанотехнологией. Одна из них остается самым тесным образом связанной с молекулярным ассемблером и конкретными возможностями его применения. Именно, ряд последних сообщений свидетельствует о том, что уже становится реальным создание инструментов, способных проникать через стенки живой клетки и осуществлять определенные манипуляции внутри нее. Существуют и более простые методы использования наноразмерных частиц, например, лекарственные препараты, где использование таких размеров позволяет добиться значимого лечебного эффекта. Такого рода примеры можно продолжать очень долго, и для целей данной книги важно отметить, что именно они послужили основой для распространенного в настоящее время определения нанотехнологии. В соответствии с ним, критерием, позволяющим отличить исследования в области нанотехнологий от прочих, является появление новых свойств у материалов, особенности структуры которых характеризуются существованием наноразмерных частиц или иных элементов. Например, это могут быть наночастицы, вкрапленные в полимерную матрицу, или образующие комплекс с гидрофильными полимерами, находящимися в растворенном или взвешенном состоянии.

Такая формулировка, безусловно, является намного более широкой, чем первоначальная сверхзадача, сформулированная К. Дрекслером, а ее появление непосредственно отражает расширение задач, относящихся к компетенции нанотехнологии и обоснованное стремление многих научно-исследовательских групп проводить изыскание на стыке ранее решаемых задач и новых перспективных направлений.

В связи с этим в дальнейшем представляется целесообразным говорить о нанотехнологии в широком и узком смысле. При этом под нанотехнологией в первоначальном (или узком) смысле ниже будет пониматься дисциплина, обеспечивающая решение научно-технических или иных задач за счет такого функционирования молекулярных структур, в котором отдельные атомы или их группы можно уподобить узлам машины или механизма.

Под такое определение полностью попадает вторая сверхзадача, которая активно решается в настоящее время. Ее можно кратко охарактеризовать как «создание нанокомпьютера». Это, несколько жаргонное выражение охватывает весьма широкий круг проблем, в частности, в качестве одной из самых первых задач на данном направлении рассматривается создание систем, способных производить вычисления (или логические операции) за счет перестройки структур молекулярного уровня организации. Так, недавно в СМИ широко освещались результаты японских исследований, создавших молекулярную структуру, вращение которой отвечает проведению логических операций. По имеющимся сообщениям, данная структура представляет собой комплекс из 17 молекул дурохинона, образованный водородными связями. Одна из молекулрасположена в центре комплекса ивыполняет функцию подачи команд, ее поворот отвечает 4 «логическим» уровням.

О таких структурах можно говорить как о молекулярных процессорах или нанопроцессорах, именно в этом смысле в данной книге будет использоваться термин «нанопроцессор».

Разработка нанокомпьютеров уже сейчас может рассматриваться как один из главных научно-технических вызовов 21-го века. Существует так называемый закон Мура, который отражает уменьшение размеров отдельного элемента, выполняющего логические операции с течением времени.В соответствии с ним уже в ближайшие десятилетия их размер должен отвечать размеру отдельной молекулы.

Разумеется, пользоваться аппроксимациями можно только с достаточной осторожностью, но в данном случае предсказание не вызывает сомнений. В создании нанотехнологических систем имеется насущная потребность, так как полупроводниковая элементная база практически полностью исчерпала запас развития, когда дальнейшее уменьшение размеров становится невозможным. Более подробно об этом будет говориться в последующих разделах, но основное рассуждение весьма прозрачно и его можно дать здесь.

Уменьшение размеров элемента, работа которого обеспечивается протеканием электрического тока, автоматически означает уменьшение амплитуды сигнала. При достижении наноразмеров амплитуда управляющих токов становится настолько малой, что само понятие «ток» по существу теряет смысл – можно говорить только о перемещении отдельных зарядов.

Системы, осуществляющие запись и хранение информации при помощи перемещения отдельных зарядов существуют в природе. Это биологические макромолекулы, а точнее функциональные единицы клеток, обеспечивающих дупликацию ДНК и синтез других соединений. Они функционируют совсем иначе, нежели полупроводниковая техника, и на основании только самых общих соображений можно сделать вывод, что дальнейшее увеличение быстродействия уже становится возможным только при принципиальном изменении подходов к записи и хранению информации. Именно в этом аспекте прогнозировалось возникновение информационной и вычислительной техники на квазибиологической основе.

По-существу современная вычислительная техника сталкивается с необходимостью осуществить диалектический переход из количества в качество. Наноэлектроника – это системы, работающие на другом уровне организации материи, что и отличает их от известных.

Указанный переход сопровождается целым рядом проблем, которые не имели аналогов при работе с техникой на полупроводниковой элементной базе. Одна из них связана с записью информации в структуры молекулярного уровня организации и ее последующим считыванием. Данная проблема далеко не ограничивается сложностью работы с элементами исключительно малого размера. Молекулы, как известно, находятся в постоянном тепловом движении, поэтому вопрос об энергии записывающего воздействия приобретает совсем другой характер, нежели по отношению к хорошо известным полупроводниковым элементам. Упрощенно говоря, для записи информации необходимо как-то воздействовать на молекулярную структуру, причем существует вполне определенный количественный показатель, разграничивающий воздействия по энергии (kT). Если энергия внешнего воздействия существенно превышает kT, то, с одной стороны, это позволяет обеспечить такой режим записи информации, при котором тепловые флуктуации не будут вносить ошибок. Но с другой стороны, это означает, что почти каждая молекула системы приобретает энергию, намного превышающую тепловую, эту энергию необходимо выводить из системы для совершения следующих операций, т.е. миниатюризация заведомо становится вопросом термодинамики. Вопрос о соотношении энергетических и информационных характеристик системы, перестает носить отвлеченный характер и приобретает прямое практическое значение.

Уместно подчеркнуть, что, в принципе существует возможность записи информации в систему за порогом kT. Данный вопрос долгие годы дискутировался в литературе, посвященной вопросам воздействия слабых и сверхслабых полей на биологические системы. Интерпретации механизма такого воздействия до самого последнего времени не существовало.Это давало повод для достаточно острой критики усилий во всем данном научном направлении, несмотря на наличие огромного пласта экспериментальных данных, доказывающих существование выраженного воздействия, например, вариаций геофизических полей на поведение живых организмов самой различной таксономической принадлежности.

Однако, полученные сравнительно недавно результаты позволяют сделать вывод, что воздействие сверхслабых полей на физико-химические системы протекает по механизмам, объяснимым в рамках аналогий между, скажем, отдельной молекулой полиэлектролита в растворе и нейронной сетью.

Перспективность такого подхода определяется следующими соображениями. Как известно, нейронные сети обладают так называемой толерантностью к ошибкам, причем последние могут быть связаны не только с искажениями входного сигнала, но и со сбоями в работе самих элементов сети. Поэтому если записывать информацию не в отдельную молекулу, в образованную ими сеть сразу, то возникает принципиальная возможность избежать трудностей, обусловленных kT-фактором. Более того, существует возможность организовать нейронную сеть химическими методами, точнее реализовать ее в процессе синтеза, что позволяет существенно упростить сам процесс изготовления элементов нанокомпьютера. Уже сейчас существуютпримеры использования подхода, в котором работоспособные наноэлементы не «собираются», а «синтезируются» [6].

Таким образом, как бы это не казалось странным на первый взгляд, проблематика нейросетевых методов самым тесным образом сплетается с задачей создания нанокомпьютерной техники. Следующее «царство» вычислительных систем, о которых пишет А.Н.Горбань, не может принципиально не отличаться от существующей техники и по принципам работы, и по принципам записи и обработки информации.

Использование нейросетевых методов, разумеется, еще больше сближает вычислительную технику на прогнозируемых принципах с биологическими системами. В этом отношении использование полиэлектролитов – веществ, обеспечивающих переработку информации в живой природе – представляется более чем естественным, особенно, если вспомнить методы и идеи некогда популярной бионики. В этом отношении прогнозируемое постепенное приближение принципов действия вычислительных систем к тем, на которых основывается работа головного мозга, приобретает черты реальности. Все это, разумеется, – дело будущего. Однако уже сейчас просматриваются возможности для создания целого ряда устройств, принципы действия которых достаточно близки к рассмотренным выше. Это обстоятельство представляется также весьма важным. Во-первых, такого рода устройства доказывают реалистичность программ по созданию нанокомпьютерной техники на основе полиэлектролитов. Во-вторых, эти возможности наглядно показывают, что принципы наноэлектроники способны очень быстро распространиться на многие области техники (связь, системы воспроизведения изображений и многое другое).

Сказанное позволяет сделать основной вывод данного раздела. Наноэлектроника – только в силу необходимости манипулирования отдельными зарядами – в той или иной степени отвечает прогнозируемому сближению вычислительной техники с биологическими системами обработки и хранения информации. Следующее «царство» вычислительной техники представляется куда более обширным, чем это может показаться на основании анализа работ по одной только нейрокомпьютерной технике. Наноэлектроника ставит самые настоящие сверхзадачи, значение которых трудно переоценить.