2017-12-14
646
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 существуют примеры 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.
Лекция № 3. Развитие микро-, нано- и оптоэлектроники, их внутренних и внешних интерфейсов, сигнальных процессоров микроконтроллеров.Осуществление логических операций при помощи перемещения зарядов
В настоящее время, предложен ряд принципов, которые могли бы быть положены в основу нанопроцессорной техники. Так, в литературе обсуждалась возможность использования для этой цели углеродных нанотрубкок, алмазоидных углеродных транзисторов, наномеханических вычислительных систем и т.д. Была высказана идея о том, что логические операции могут осуществляться отдельными зарядами, перемещающимися в пределах определенных физико-химических структур за счет электростатического взаимодействия друг с другом.
В качестве теоретического предела в настоящее время часто рассматриваются системы, в которые логические операции, составляющие основу компьютерных вычислений, осуществляются за счет перемещения единичных атомов, молекул или ионов [5, 6].
Такой теоретический предел становится вполне достижимым, если от использования «логики токов» перейти к использованию «логики зарядов». Ниже будет показано, что логические операции могут выполняться отдельными молекулами. Однако в качестве первого шага представляется целесообразным рассмотреть, можно ли реализовать логические операции путем перемещений зарядов в макроскопических объектах. В качестве матрицы, в пределах которой осуществляется перемещение зарядов, отвечающие за реализацию логических операций, могут быть использованы поверхностные слои сшитых полимерных сеток. Примерами таких сеток являются гидрогели или иониты, а некомпенсированные заряды могут формироваться непосредственно в поверхностных двойных слоях в соответствии с механизмами.
Прежде всего, подчеркнем еще раз, что система взаимодействующих некомпенсированных зарядов (если говорить об объектах, имеющих микро- или наноразмеры) с помощью полиэлектролитных гидрогелей может быть реализована непосредственно, т.е. это не требует сложного технологического оборудования.
| Рисунок 3.2 -Отталкивание некомпенсированных зарядов в тангенциальной плоскости |
Рисунок 3.1 - Формирование двойного слоя
Появление двойного электрического слоя схематически можно отобразить с помощью рисунка 3.1. Он подчеркивает, что в поверхностном слое гидрогеля образуется некомпенсированный электростатический заряд. В растворе при этом, очевидно, образуется слой противоположно заряженных частиц (подвижных ионов).
Распределение такого заряда по поверхности гидрогеля может быть неоднородным, в частности, с помощью формирования комплексов на поверхности геля. При этом сформированные заряды могут перемещаться в тангенциальной плоскости.
Проще всего проиллюстрировать данный вывод, используя пример сшитой поликислоты (рисунок 3.1). На рисунке схематически показаны карбоксильные функциональные группы, которые диссоциируют только частично, так как карбоновые кислоты являются слабыми. Некомпенсированные заряды, обусловленный диссоциацией поликислоты, могут перемещаться по поверхности образца по тому же самому механизму, по которому перемещаются «дырки» в полупроводниках (рисунок 3.2). При этом между некомпенсированными зарядами на поверхности геля имеет место электростатическое отталкивание, причем вектор сил отталкивания лежит в горизонтальной плоскости (рисунок 3.3).
Далее, из-за наличия «зеркального» слоя низкомолекулярных ионов, сосредоточенных в растворе, потенциал взаимодействия между зарядами, расположенными вблизи поверхности гидрогеля, отличается и от потенциала Кулона, и от потенциала Дебая-Хюккеля. При этом радиус экранировки оказывается несколько выше радиуса Дебая, однако имеет тот же порядок, так как его природа определяется коллективными эффектами экранировки.
Рисунок 3.3 - Миграция некомпенсированного заряда в образце гидрогеля на основе поликислоты
Ограниченный радиус электростатического взаимодействия между некомпенсированными зарядами в тангенциальной плоскости создает предпосылки для осуществления логических операций при помощи перемещения таких зарядов по поверхности гидрогеля. Покажем это на простейшем примере осуществления логической операции, отвечающей вентилю совпадений [1, 7].
Чтобы показать это, обратимся к рисунку 3.4. На нем показаны ячейки 1 и 2, которые служат «входами» для элемента, выполняющего логическую операцию. Рядом с этими ячейками расположена система из еще трех ячеек (3,4 и 5), сообщающихся друг с другом. В этих ячейках находится только одна заряженная частица А, которая может перемещаться по всем ячейкам 3,4 и 5.
Будем пока считать, что логический «0» соответствует состоянию «ячейка пуста» (это относится к ячейкам 1 и 2, играющим роль входов). Аналогично логическая «1» отвечает состоянию «ячейка занята частицей». В качестве «выхода» логического элемента будем рассматривать центральную ячейку 4. Примем, что зависимость потенциала от расстояния вдоль линии аб на рисунке 3.4 имеет вид, показанный на рисунке 3.5 (т.е., что центральная ячейка представляет собой неглубокую потенциальную яму). Будем также считать, что все используемые частицы несут заряд одного знака, т.е. отталкиваются друг от друга.
| а |
| б |
Рисунок 3.4 - Выполнение логической операции, отвечающей вентилю совпадений, системой взаимодействующих зарядов.
| Рисунок 3.5 - Вид зависимости потенциала от координаты вдоль линии аб, рисунок 3.3 |
| x |
| U(x) |
| Рисунок 3.6 - Система зарядов, выполняющая операцию «логическое И» |
Операция «логическое И» может быть осуществлена при помощи сходной системы зарядов, расположенных в ячейках (рисунок 3.5).
| Вход |
| Рисунок 3.7 - Инвертор |
Таким образом, обе ключевые операции, обеспечивающие работу 1-битового сумматора, вполне могут быть осуществлены при помощи перемещения зарядов в ячейках с потенциальными ямами определенной формы. Однако, такой способ проведения логических вычислений, к сожалению, не может быть реализован, если использовать заряды, вступающие в кулоновские взаимодействия непосредственно. А именно, кулоновские силы являются дальнодействующими, поэтому при каскадном соединении ячеек, выполняющих логические операции, влияние каскадов друг на друга становится слишком большим. Покажем это, а затем рассмотрим, как указанное затруднение может быть преодолено за счет перехода к экранированным взаимодействиям в системах на основе полиэлектролитов [2, 8].
Вернемся к работе ячейки, отвечающей вентилю совпадений (рисунок 3.4). Предположим, что ставится задача каскадно соединить ее с инвертором, с тем, чтобы получить систему, выполняющую операцию «исключающее ИЛИ». Сам по себе инвертор может быть выполнен на основе системы, представленной на рисунке 3.7. (Предполагается, что потенциальная яма в положении 1 является более глубокой, чем в положении 2). В этом случае отталкивание между частицами приведет к тому, что ячейка выхода (положение 1) будет заполнена тогда, когда в ячейке входа частица отсутствует и наоборот.
Однако, каскадное подсоединение такого инвертора к схеме (рисунок 3.4) не позволяет добиться желаемого результата из-за дальнодействия кулоновских сил. Состояние выходных каскадов будет влиять на работу входных (рисунок 3.8) и т.д. Данный вопрос снимается, если перейти к использованию потенциалов ограниченного радиуса, что может быть обеспечено переходом к экранированным взаимодействиям.
Таким образом, проблема использования некомпенсированных электростатических зарядов для записи и обработки информации, обсуждавшаяся уже продолжительное время, решается автоматически, если перейти к использованию полиэлектролитов, как это и отмечалось выше.
Рисунок 3.8 - Потенциалы ограниченного радиуса действия позволяют исключить взаимное влияние каскадов друг на друга
