ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ.
ЛЕКЦИЯ 3
В самом конце ХХ века достижения науки и высоких технологий убедительно продемонстрировали, какие громадные возможности сулит использование специфических явлений и свойств вещества в нанометровом диапазоне размеров. Упорядочение и самоупорядочение атомов и молекул на нанометровых расстояниях, как это делает живая природа в биологических объектах, в промышленных изделиях может привести к поразительным результатам.
Слова с приставкой «нано-»: наномир, нанонаука, нанотехнология, нанотехника, наноматериалы и т.п. стремительно вошли в лексикон не только специалистов различного профиля, но и журналистов, администраторов, политиков. Очевидно это обусловлено взрывообразным развитием «нано-» сферы деятельности и громадным значением ее для настоящего и будущего. В промышленно развитых странах Запада нанобум начался в самом конце прошлого столетия. По всем признакам мир вступает в эпоху тотальной нанореволюции, способной затмить своими результатами последствия компьютерной революции конца 20 века.
|
|
Ключевые материалы и технологии всегда играли большую роль в истории цивилизации, определяя не только уровень развития производительных сил, но и во многом – социальный прогресс в обществе. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменная и бронзовая эпоха, век пара и электричества, атомной энергии и информационных технологий.
Большинство экспертов в области стратегического планирования, научно–технической политики, инвестирования уверены, что в ближайшее десятилетие нас ждет нанореволюция во всех областях науки, производства, национальной безопасности, медицины, быта, отдыха и развлечений. Причем ее последствия будут обширнее и глубже, чем компьютерной революции последней трети 20 века. Под этим понимают широкомасштабное и системное вторжение наноструктурированных материалов, изделий и способов их получения буквально во все сферы жизни. Поэтому многие развитые и развивающиеся страны имеют в качестве приоритетных программы развития нанотехнологий.
Английский термин Nanotechnology был предложен японским профессором Норио Танигучи в средине 70-х годов прошлого века и использован в докладе «Об основных принципах нанотехнологии» (On the Basic Concept of Nanotechnology) на международной конференции в 1974 г., т.е. задолго до начала масштабных работ в этой области. По своему смыслу он заметно шире буквального русского перевода «нанотехнология», поскольку подразумевает большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их материализованные результаты – нанопродукцию.
|
|
Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1нм = 10-9м = 10-6мм = 10-3мкм). Сама десятичная приставка «нано -» происходит от греческого слова nαnοσ – «карлик» и означает одну миллиардную часть чего–либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико–механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических. Главные причины специфичного поведения и особых свойств нанообъектов мы рассмотрим позднее.
Нанообъекты и наноструктуры могут быть синтезированы искусственно или найдены в готовом виде и отобраны из природных объектов (главным образом, биологических). Отнесение того или иного объекта к наномасштабным весьма условно. Нанообласти в структурной иерархии можно выделить практически в любом объемном, пленочном или волокнистом объекте (примесные кластеры, границы зерен, ядра дислокаций и т.п. в кристаллах; области упорядочения молекул в полимерах; глобулярные белки, мембраны и мицеллы в биоматериалах и т.д.). В качестве разумного критерия принадлежности объекта к наноструктурированным очевидно можно принять высокую степень влияния на обсуждаемые свойства именно наноразмерных элементов его реальной структуры. При этом вполне может оказаться, что один и тот же материал для некоторых свойств и приложений будет демонстрировать явную «нано»- специфику, а для других – казаться однородным.
Таким образом, очертить строго границы наномира не так просто. В литературе имеются десятки (если не сотни) определений предмета ведения нанонауки и нанотехники. Это говорит о том, что они переживают период становления и бурного развития. Так, на вопрос «Как бы Вы определили, что такое нанотехнология?» около 100 экспертов дали следующие ответы:
· Технология, которая имеет дело с элементами не больше 100 нм – 45%
· Технология, которая имеет дело с субмикронными элементами - 17%
· Технология, которая использует новые законы физики - 5%
· Технология, которая оперирует материей на уровне отдельных атомов и молекул - 23%
· Другие ответы - 10%
Обобщая мнение большинства специалистов, нанонауку можно определить как совокупность знаний о структуре и особенностях поведения вещества в нанометровом масштабе размеров, а нанотехнологию и нанотехнику – как искусство создавать и использовать объекты и структуры с характерными размерами в диапазоне от атомарных до ~100 нм (хотя бы в одном из трех измерений).
Такое определение фактически утверждает, что «нановладения» занимают промежуточную область между миром отдельных атомов, управляемым квантовой механикой, и макромиром, хорошо описываемым в рамках различных континуальных теорий (упругости, гидродинамики, электродинамики и т.п.).
Место нанообъектов и наноструктур в шкале характерных размеров и времен оперирования показано на рис 1. Из общих соображений и простых оценок вытекает, что с уменьшением R механическая и электрическая инерционность любого устройства падает, а его быстродействие – растет, что является одним из многочисленных достоинств нанотехники.
Рис. 1. Место наноструктурированных объектов в пространственно-временной плоскости характерных параметров.
Основные направления развития нанонауки и нанотехники показаны на рис. 2. Их фундаментальным базисом является физика, химия и молекулярная биология. Большую роль играет компьютерное моделирование наноструктур на основе квантовомеханических закономерностей поведения объектов, состоящих из счетного числа атомов или молекул.
|
|
Классификация нанопродукции, учитывающая ее иерархическую сложность, представлена на рис. 3. Самый обширный класс – наноматериалы и отдельные нанообъекты, следующий – наноизделия, состоящие из многих элементов или требующие специальной обработки материалов. Зачастую нанотехнологии позволяют создавать готовые изделия, содержащие миллионы элементов, минуя стадию производства материалов, отдельных деталей, их последующей обработки и сборки (пунктирная стрелка). Особенно большое распространение такие технологии получили в микроэлектронике.
Рис. 2. Фундаментальные основы области применения нанонауки и нанотехнологии.
Более сложными в устройстве и производстве являются гибридные системы, где сочетаются, например, микро-/наномеханические узлы и
Рис. 3. Структура нанотехники с точки зрения ее иерархической сложности.
электроника (микро-/наноэлектромеханические системы – МЭМС/НЭМС); микрогидравлика, микромеханика и электроника (микрохимические лаборатории на одном чипе); оптика, микромеханика и электроника; биоэлектроника и биомеханика и т.п. Однако и для таких случаев разрабатываются нанотехнологии, позволяющие получать готовый продукт без промежуточных переходов (показано пунктирной стрелкой). Наконец, на вершине структурной пирамиды стоят интеллектуальные роботы, многокомпонентные системы, имеющие в своем составе сенсорные узлы, процессорную часть, исполнительные органы, движители и т.п.
С технико–экономической точки зрения основные побудительные мотивы развития нанотехнологий состоят в том, что с их помощью возможно:
· радикально изменять свойства традиционных материалов, не меняя их химического состава;
· создавать принципиально новые классы материалов;
· использовать квантовые эффекты;
· уменьшать размеры изделий вплоть до атомарных с сохранением заданных функций или придания совершенно новых (одноэлектроника, спинтроника);
· эффективно использовать синтетические или существующие в природе наноструктуры (главным образом, биологические);
|
|
· ставить и решать задачи, совершенно невозможные в рамках традиционных технологий;
· снижать материалоемкость, энергоемкость, трудоемкость и стоимость продукции, одновременно резко уменьшая загрязнение окружающей среды отходами производства.
Современную историю «нано»- парадигмы принято вести от знаменитого доклада-лекции Нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места: приглашение шагнуть в новую область физики», сделанном в 1959 г. на заседании Американского физического общества. В ней обращалось внимание на специфику нанообъектов и наноструктур; на то, что законы физики принципиально не препятствуют получению изделий методом поатомной (или помолекулярной) сборки, а скорее даже провоцируют и помогают этому; обсуждались возможные направления развития и практические приложения «нанонауки».
Однако до реальных технологий такого рода в 60-е годы прошлого века было еще очень далеко. Вплоть до середины 80-х годов нанонаука развивалась очагово и спонтанно, не осознавая себя масштабной междисциплинарной сферой деятельности, но периодически совершая важные открытия. Многие дисциплины и отрасли имели небольшой участок, в котором предметом изучения были нанообъекты и наноструктуры: в физике и неорганической химии – нанокластеры и наночастицы, в органической химии - полимеры искусственного и естественного происхождения и их надмолекулярные наноструктуры, в биохимии – белки, ферменты, клеточные мембраны, мицеллы и везикулы, в молекулярной биологии – ДНК и т.д.
В материаловедении большой резонанс вызвали работы по разработке достаточно простого и эффективног способа создания наноструктурированных материалов путем компактирования предварительно полученных нанопорошков.
В 1986 г. сотрудник Массачусетского технологического института (Бостон, США) Э.Дрекслер выпустил книгу «Машины созидания - пришествие эры нанотехнологии», в которой развил некоторые идеи Р.Фейнмана. Дрекслер мысленно конструировал аналоги макроскопических устройств, используя в качестве «строительного материала» наноэлементы, включая отдельные атомы и молекулы. К середине девяностых годов отдельные наноостровки стали разрастаться и смыкаться, так что стало очевидным – мир стоит на пороге новой научно-технической революции, которая меняет принципы и парадигмы всей производственной деятельности.
Современное производство техногенной продукции очень неэффективно по сравнению с природными процессами как с точки зрения доли полезно используемой массы первичного сырья, так и затрат энергии. В конечный потребительский продукт превращается в среднем около 1,5% массы добываемого сырья, а доля полезно используемой энергии (если принимать во внимание минимально теоретически необходимую энергию для химических, структурных превращений, формоизменения и реально затрачиваемую на добычу, переработку сырья, металлургическую, химическую, машинную обработку) и того меньше. Природа при построении куда более сложных биологических систем действует неизмеримо более экономно. Она широко использует безотходную сборку и самосборку очень сложных систем из простых молекул, селективный катализ определенных процессов при низких температурах, замыкает «производственные» потоки и цепи, в которых отходы одного цикла становятся исходным сырьем для другого и т.д.
В последнее десятилетие появилась возможность реально идти по этому пути и создавать промышленные нанотехнологии. В пределе это выливается в новый подход ко всему, что делает современная промышленность: вместо традиционной обработки «сверху - вниз» (т.е. получения деталей или готовых изделий из более крупных заготовок путем отделения ненужных частей) сборка или самосборка (self – assembly) «снизу – вверх», т.е. безотходный молекулярный дизайн изделий из элементарных «кирпичиков» природы – атомов и молекул. Разумеется, это всего лишь яркие образы, обозначающие наиболее характерные подходы к массовым технологиям. Реально и в каменном веке человек собирал топор из нескольких деталей, а не вытесывал его из одного куска материала; и в эпоху нанотехнологий будут производиться материалы, полуфабрикаты и какая-то часть готовых изделий из более крупных заготовок, чем конечный продукт. Т.е. новая технологическая парадигма «снизу – вверх» будет конкурировать, дополнять и стимулировать развитие старой - «сверху – вниз».
Структура самих атомов управляется числом нуклонов в ядре и законами квантовой механики. Она не может быть изменена произвольно, по нашему желанию. То есть атомы - это, минимально возможные порции вещества, которые можно использовать в целях создания долговременно существующих конструкций путем сборки изделий из них как из естественных строительных модулей. Причем, эти модули, в отличие от партии деталей, изготовленных на самых точных станках, абсолютно идентичны, т.е. не имеют никаких индивидуальных особенностей (разумеется, имеются в виду атомы одного сорта). То же самое можно отнести и к простейшим молекулам. Вместе с тем свойства малоатомных кластеров (или небольших ассоциатов молекул) сильно зависят от числа составляющих их структурных единиц N. Варьируя контролируемым образом N можно обеспечить заданные характеристики изделия простым прибавлением или отбором одинаковых частиц. Именно к этому и стремится в пределе нанотехнология.
Есть еще одно важное соображение в пользу нанопродуктов и нанотехнологий. На заре цивилизации люди создавали орудия труда, средства транспорта, предметы быта с характерными размерами, сопоставимыми со своими собственными (R ~ 1 м). Другие и не были нужны тогда. Однако многие задачи сегодня не требуют таких больших устройств (например, определение температуры, давления, освещенности, химического состава вещества, сбор и хранение информации, различные расчеты, разведка и спецоперации, микрохирургия, исследования космоса и т.п.). Более того, чем меньше размеры подобных устройств, тем они более функциональны и экономичны. Впервые это было осознано при создании электроники и вычислительной техники во второй половине 20 века. Началась бурная миниатюризация отдельных компонентов, микросхем и целых процессорных систем. Вот тогда и появилась реальная почва для идей предельно уменьшать размеры всего, чем человек оперирует для достижения своих целей, вплоть до атомно-молекулярных. Естественными строительными модулями в этих случаях могут выступать отдельные атомы и молекулы, а наиболее эффективными технологическими процессами – самосборка и самоорганизация отдельных элементов. Тем более что перед глазами всегда имеется весьма убедительный пример – очень сложный функционально и структурно организованный биологический мир, который природа конструирует именно таким способом, собирая каждый организм из отдельных атомов и молекул.
Успехи, достигнутые на путях микроминиатюризации электроники, весьма впечатляющи: на протяжении почти полувека выполняется закон Мура – каждые 1,5 – 2 года количество отдельных элементов (в частности, транзисторов) на чипе удваивается, а характерный размер структуры R соответственно падает (рис. 4). В результате в современной микросхеме число элементов сопоставимо с числом жителей Земли (~ 6´109 человек), только размещены они не на поверхности земного шара, а на площади ~ 1см2.
Рис. 4. Динамика развития микроэлектроники (закон Мура).
С еще большей скоростью растет плотность магнитной записи на жестких дисках (на 60-100% в год). Весьма существенно, что одновременно с уменьшением размеров падает и стоимость единичного элемента структуры. В результате и по этому показателю продукты высоких технологий вошли в «нано»-ценовую область. До принципиально достижимых физических пределов пока еще очень далеко, и имеется громадный резерв для дальнейшего уменьшения R (от освоенных в настоящее время серийным производством R ~ 100 нм – вплоть до атомных, ~ 0,1 нм) и снижения себестоимости различных продуктов с одновременным ростом их функциональных возможностей. В этой связи интересно вспомнить высказывание Б. Гейтса – основателя компании Microsoft и знаковой фигуры в мире информационных технологий, которое он сделал в 1981 г.: «да 640 кБ оперативной памяти хватит кому угодно». Уже через несколько лет оно стало курьезным, поскольку достигнутые параметры DRAM на порядок превысили упомянутую цифру и продолжали расти теми же гигантскими темпами. Это говорит о том, что в условиях бурного развития высоких технологий даже выдающимся специалистам подчас трудно спрогнозировать, во что это выльется в ближайшем будущем.
Необходимо различать размеры и размерность объектов наномира. Вполне достаточно иметь малое значение R только в одном измерении, чтобы возникла «нано -» специфика поведения вещества. К таким объектам относятся тонкие приповерхностные слои однородного материала, пленки и покрытия различного назначения, многослойные гетероструктуры. Их квазидвумерность дает возможность изменить свойства электронного газа, характеристики электронных переходов и т.д., что создает основу для разработки принципиально новой элементной базы наноэлектроники и оптоэлектроники следующего поколения. Они часто используются в качестве антифрикционных, износостойких, антикоррозионных покрытий, чувствительных элементов сенсорики и др. Большую роль приповерхностные структуры и состояния играют в нанопористых и нанокомпозитных материалах. Первые используются в молекулярных фильтрах и ситах, адсорбентах, аккумуляторах газообразного топлива, катализаторах, вторые – в качестве высокопрочных конструкционных материалов, сред для высокоплотной записи и хранения информации, лазерных и светочувствительных элементов.
Если объект имеет наноразмеры в двух измерениях, а в третьем – макроскопический, то его классифицируют как квазиодномерный. К таковым относятся нанопроволоки, напыленные на диэлектрическую подложку, нановолокна, одностенные и многостенные нанотрубки, органические макромолекулы, двойные спирали ДНК и др.
Наконец, если все три размера частицы лежат в нанометровом диапазоне, она считается нуль–мерной (в макроскопическом смысле). С точки зрения электронных свойств она является «квантовой точкой», т.е. объектом, в котором длина волны де Бройля больше всех его размеров. Квантовые точки используют в лазеростроении, оптоэлектронике, фотонике, сенсорике и других приложениях.
Итак, зависимость свойств материалов от R можно разбить на две области: малочувствительную к размерам образца – «макроскопическую» и высокочувствительную, в которой изменения характеристик вещества могут быть очень сильными и носить осциллирующий характер, иметь экстремум или насыщение на уровне, значительно отличающемся от макроскопического. Между ними находится промежуточная, мезоскопическая область структур и свойств. В области R ≤ 10 нм размерные эффекты становятся такими большими, что специалисты, склонные к метафоричности суждений, говорят о необходимости введения «третьей координаты» в периодической таблице Менделеева, имея в виду сильную зависимость физико – химических характеристик малоатомного кластера от числа одних и тех же атомов в нем. Важнейшими причинами этих особенностей являются следующие: проявление квантовых закономерностей и атомно–молекулярной дискретности в наноразмерных частицах, состоящих из счетного количества атомов; высокая доля приповерхностных атомов, которые обладают отличающимися физико – химическими свойствами от объемных, по отношению к полному их числу в частице или зерне; измененный электронный и фононный спектр в наночастицах и малоатомных кластерах; большая роль диффузии, атомных перестроек и самоорганизации атомов в наноструктурах и на поверхности твердых тел; специфические условия для зарождения новых фаз и фазовых переходов, образования дислокационных петель, двойников и т.п.; радикальные отличия свойств низкоразмерных (нульмерных, одномерных, двумерных, фрактальных) структур от объемных трехмерных и др.
Нанопродукция имеет множество очевидных и скрытых достоинств. К первым, помимо упомянутых выше, можно отнести крайне низкую материалоемкость и энергоемкость производства в расчете на одно готовое изделие, снижение сырьевой зависимости и транспортных расходов, экологическую чистоту нанотехнологий. С уменьшением размеров понижается механическая и электрическая инерционность устройств, что обеспечивает достижение рекордно высокого быстродействия электронных и электромеханических компонентов и приборов. Интегрированные наносистемы (например, микро- и нанороботы) можно будет вводить в организм человека через естественные каналы, кровеносную и лимфатическую систему и доставлять практически в любую точку с диагностическими, терапевтическими и хирургическими целями; с минимальными затратами их можно запускать в космос, использовать в беспилотной авиации, разведывательных и оборонных задачах.
Пришествие эры нанотехнологии как всеобщего и системного подхода к решению самых трудных технических задач в громадной степени было стимулировано беспрецедентными темпами развития микроэлектроники. Она и остается одной из важнейших и крупнейших сфер приложения нанопарадигмы. Поэтому большинство достижений в нанонауке в первую очередь оцениваются с точки зрения перспективности их использования в компьютерной технике, средствах связи, электронике промышленного и бытового назначения, в том числе и систем записи и хранения информации.
После изобретения в 1959 г. планарной технологии создания на поверхности очень чистого кремния интегральных схем и ее промышленного освоения в последующие годы темпы совершенствования элементной базы твердотельной электроники были исключительно высокими: динамика улучшения всех существенных параметров БИС укладывается на экспоненту (закон Мура). Так, количество элементов в микропроцессорах и блоках динамической памяти (DRAM) на протяжении почти полувека удваивается каждые полтора года. Этому соответствует неуклонное уменьшение характерных размеров отдельных элементов R, увеличение быстродействия, снижение энергопотребления и стоимости.
Очень коротко историю этого выдающегося достижения человеческой мысли можно представить следующим образом (рис. 5). В 1947 г. был изобретен первый полупроводниковый биполярный транзистор (Дж. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли, Нобелевская премия 1956 г.). В 1959 г. американскими инженерами Дж. Килби (Texas Instruments) и Р.Нойсом (Fairchild Semiconductor) была предложена концепция создания интегральных схем (ИС). В начале 60-х годов на поверхности монокристаллического кремния были сформированы первые приборы нового типа – металл-оксидно-полупроводниковые (МОП) полевые транзисторы. В этих структурах роль диэлектрического слоя между пленкой металла и массивной полупроводниковой подложкой играет оксид кремния, SiO2, получаемый контролируемым окислением полированной поверхности Si. В отечественной терминологии иногда употребляют также термин металл – диэлектрик – полупроводниковая структура (МДП), поскольку в качестве диэлектрика может быть использован не только SiO2, но и другие материалы: Al2O3, Si3N4 и т.п. В конце 60-х годов была разработана технология изготовления р-МОП и несколько позже – n-МОП-транзисторов. Они использовали соответственно дырочный и электронный тип проводимости в канале. После их объединения образовался прибор, называемый комплиментарным МОП–транзистором (CMOS), который по настоящее время является основным в схемотехнике БИС. По сравнению с двумя предыдущими вариантами он обладает тем преимуществом, что почти не потребляет тока в режиме ожидания (за исключением очень маленького тока утечки).
Рис. 5. Основные этапы и хронология развития твердотельной электроники. Кружочками обозначено время изобретения, а прямоугольниками – время промышленного освоения и производства.
Таким образом, на протяжении почти полувека электроника стремительно развивалась под лозунгом: компактнее, быстрее, лучше, дешевле (имеются в виду характерные размеры отдельных элементов, быстродействие, соотношение цена/качество). Для того чтобы поддерживать эти беспрецедентные в истории цивилизации темпы роста ключевых параметров выпускаемой продукции и в дальнейшем, необходимо к 2012- 2015 г. уменьшить технологический шаг при производстве БИС до ~ 10 нм (против ~ 100 нм, достигнутых в настоящее время). Некоторого прогресса можно ожидать от совершенствования существующих подходов. Однако, по общему мнению специалистов, имеющиеся в промышленности технологии не смогут обеспечить такой рывок даже после существенного улучшения, поскольку в значительной мере они уже исчерпали свои возможности эволюционного совершенствования. Освоение 10-нанометрового диапазона потребует создания принципиально новых физических основ и технологий производства элементной базы, которые в общих чертах просматриваются уже сейчас. Интервал от 1 до 10 нм – пока поле деятельности для фундаментальных исследований, которые только нащупывают возможные пути продвижения массовых технологий в эту область.
Хотя нано-/микроэлектроника не есть абсолютный синоним компьютерно–информационной техники, с некоторыми небольшими оговорками можно согласиться с почти полной эквивалентностью этих понятий в настоящее время. Такое соглашение дает основание схематически представить основные функции и соответствующие устройства современной микроэлектроники через призму потребностей компьютерной техники так, как это изображено на рис. 6.
Рис. 6. Основные функции и узлы компьютерно – ориентированной электроники.
Следуя ему, можно выделить 5 основных функций информационных систем:
· Обработка информации. Одна из центральных задач любого компьютера или информационной системы – процессинг, т.е. быстрая обработка поступающей информации и выдача решений и управляющих команд. Часто ее жизненно необходимо (или, по меньшей мере, крайне желательно) проводить в режиме on line (управление летательными и космическими аппаратами, атомными электростанциями, сложными энергетическими и технологическими установками и т.п.). Для этого в любом компьютере имеется микропроцессор (или группа связанных микропроцессоров) и средства оперативной памяти, с которыми процессор во время работы периодически обменивается информацией. В настоящее время – это наиболее сложные и дорогостоящие узлы информационных систем (компьютеров), в значительной мере определяющих их возможности.
· Хранение информации. Имеется в виду долговременное энергонезависимое сохранение больших объемов информации, к которой время от времени может обращаться информационная система. Соответствующие устройства не обязаны быть такими же быстродействующими, как блоки оперативной памяти (обычное время доступа – миллисекунды), но они должны обладать большой емкостью и надежностью для безусловного сохранения информации в течение, по крайней пределе, нескольких лет без энергопотребления и обновляющей перезаписи. Вместе с тем они должны позволять записывать новую информацию и удалять ненужную.
· Передача информации. Уже сейчас бόльшая часть компьютеров, телефонов, телевизоров, технологической электроники работает в сетях, т.е. они должны быть соединены друг с другом линиями связи. Существуют и внутренние связи внутри компьютера, локального информационного или технологического модуля, каждой отдельной микросхемы. Очевидно, в будущем степень интегрированности на всех уровнях иерархии электронных систем (в микросхеме, компьютере, локальных и глобальных сетях) будет только нарастать и определять функциональность, надежность, себестоимость процесса и др. характеристики. В принципе, возможна как гальваническая связь посредством проводников, так и бесконтактная с помощью электромагнитных волн СВЧ или оптического диапазона.
· Преобразование информации – получение ее из внешней среды и трансформация в электрический сигнал. Физически это осуществляется различными сенсорами, датчиками, микрофонами, видеокамерами и др. Другая сторона этой функции – обратное преобразование закодированной информации в звуковые и зрительные образы, команды, исполнительные действия (механическое перемещение, силовое, тепловое или оптическое воздействие, технологическая обработка и т.п.). Здесь нарушается однородность системы и приходится переходить от одних физических процессов (механических, акустических, оптических, тепловых, химических и т.д.) к другим – электрическим, и наоборот – преобразовывать электрические сигналы в действия и образы с помощью актуаторов, двигателей, инструментов, дисплеев, индикаторов, громкоговорителей и др. Поскольку все современные вычислительные машины работают с дискретной (оцифрованной) информацией, а сенсоры и актуаторы – с аналоговой, для их взаимодействия необходимы аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, которые можно интегрировать в одном корпусе с соответствующим прибором или смонтировать на единой плате сбора и первичной обработки данных (Data Acquisition System – DAS). Не взирая на буквальный перевод, современные DAS способны не только собирать и оцифровывать первичные данные с большого числа датчиков (типично- с 32 или 64), но и выдавать команды и управляющие сигналы, которые формирует компьютер, в дискретной или аналоговой форме.
· Защита информации. Наконец, последняя (но не по значимости в ответственных случаях) функция – защита информации от несанкционированного доступа, использования, искажения, стирания и т.п. Она должна осуществляться как на физическом уровне, так и на программном, и организационно – правовом.
С точки зрения новизны и радикальности подходов (а следовательно, и необходимых для реализации материально–экономических ресурсов и затрат времени) можно обозначить три основных направления:
· развитие наноэлектроники путем эволюционного совершенствования существующих «кремниевых» планарных технологий;
· более глубокое модифицирование планарной технологии и распространение ее на другие материалы и ситуации;
· создание принципиально новой электроники следующих поколений на основе «некремниевых» устройств и физических принципов.
Эти революционные идеи предполагают использование квантовых сверхпроводящих компонентов, нанотрубок, фуллеренов и их производных, оптотроники, биоэлектроники, квантового распределенного компьютинга, одноэлектроники, спинтроники и др.
На каждом направлении развития наноэлектроники существует несколько групп предложений различной степени новизны и трудности осуществления. В первую очередь целесообразно представить себе, каковы фундаментальные пределы миниатюризации и чем они обусловлены. Можно выделить три группы принципиальных причин, накладывающих ограничения на дальнейшее уменьшение размеров отдельных элементов в БИС:
· термодинамические;
· электродинамические;
· квантовомеханические.
Первая из них обусловлена конечной температурой объектов, хаотическим тепловым движением атомов и электронов, нагревом вследствие протекания тока (джоулевым тепловыделением и условиями теплоотвода), действием первого и второго начала термодинамики (в частности, стремлением к росту энтропии и потере информации в системе), особенностями обратимых и необратимых процессов в нанообъектах и др.
Электродинамические ограничения вызваны инерционностью емкостей и индуктивностей в схеме, что препятствует быстрому изменению напряжений и токов при переходе от одного состояния к другому (например, при работе логических ключей в микропроцессоре или ячеек динамической памяти). Конечная скорость распространения электромагнитных волн (особенно в присутствии проводников, ферромагнетиков, ферроэлектриков), движения носителей заряда, перемагничивания ферромагнетиков или переполяризации диэлектриков накладывает дополнительные ограничения на быстродействие.
Третья группа причин проявляется при уменьшении характерных размеров объекта R до атомарных масштабов. При этом начинает становиться заметной атомная и электронная дискретность в явлениях переноса, взаимодействия частиц и т.п. Приближение R к длине волны де Бройля для электронов приводит к деформации и дискретизации электронных спектров, изменению электрических, магнитных и оптических свойств вещества. Снижение массы (а следовательно импульса p и энергии Е частицы) приводит к росту неопределенности ее положения (Dх, Dу, Dz) и длительности существования данного состояния (Dt) в соответствии с принципом неопределнности Гейзенберга: Dpх Dх ≥ и DЕ Dt ≥. Вместе с тем трансформация непрерывных спектров, распределений, состояний, характерных для объемных тел, в дискретные по мере уменьшения R отчасти даже помогает разработке новых принципов в цифровой технике.
Как видно из всего спектра задач и потенциальных возможностей нанотехнологии, применение ее достижений в сфере информационных технологий на интересующем нас направлении систем и средств записи/хранения информации может быть осуществлено в двух направлениях:
· совершенствование традиционных методов записи/хранения информации вплоть до квантовых границ применимости основных законов, на которых эти системы основаны;
· разработка принципиально новых фундаментальных принципов и технологических решений устройств обработки и накопления информации.