Нанотехнологии. Правда и вымысел

В 2005 году компания Apple Computer выпустила сотовый телефон-коммуникатор марки iPod Nano с нанотехнологическим чипом памяти NAND емкостью 4 Гб. Электронную базу iPod Nano составляют микрочипы от Samsung (Южная Корея) и Toshiba (Япония). Компания Samsung при производстве своей продукции использует полупроводниковые технологии с прецизионным уровнем (уровнем точности производственных манипуляций) менее 100 нм. Не случайно на настоящее время она является крупнейшим в мире производителем чипов флэш-памяти NAND и DRAM. При этом самые маленькие компоненты iPod Nano все же пока имеют размеры много более «психологических» 100 нм.

С каждым днем в мире накапливается все больше информации, и необходим рост вычислительных мощностей, предусмотренный первым законом Г. Мура (основателя корпорации Intel ). Еще в 1964 году Мур заявил, что если тенденция появления через каждые 18–24 месяцев новых, вдвое более мощных микросхем будет сохраняться, то общая мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет за относительно короткий промежуток времени. Поскольку до настоящего времени этот закон не нарушается, есть все основания предполагать, что и в ближайшее время положение не изменится. Более того, намечается тенденция к сокращению этого цикла до 15 месяцев, то есть следует ожидать, что возможности компьютеров будут удваиваться почти ежегодно.

Современные процессоры состоят более чем из миллиарда транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в 1000 раз. Цель будущего десятилетия — создать процессор с более чем одним триллионом транзисторов. Соотношение производительности процессора к аналогичному показателю процессора Pentium 4 будет примерно аналогично производительности современного компьютера по сравнению с первыми ЭВМ на электронных лампах.

Останавливаясь на развитии квантовой нанотехнологии, следует отметить наиболее важные направления электроники: разработку лазеров и мазеров. Уже сейчас на базе приборов квантовой электроники создаются устройства для радиоэлектроники и бытовой техники, лазерные указатели (рис. 55), приборы точного измерения расстояний (дальномеры), которые широко применяются в вооружении (например, лазерных прицелах и т. д.), квантовые стандарты частоты, гироскопы, системы оптической многоканальной связи, дальней космической связи, радиоастрономии и т. п.

Рис. 55. Шариковая ручка с лазерной указкой (слева) и светодиодным фонариком (справа)

Энергетическое воздействие лазерного концентрированного излучения на вещество используется в промышленной технологии и военных целях. Известны многолетние исследования американских военных ученых в рамках программы «звездных войн» (разработки систем противоракетной обороны — ПРО) по созданию высокоэффективного лазерного оружия для поражения космических и наземных объектов. Лазеры также находят широкое и самое разнообразное применение в биологии и медицине.

По прогнозам ученых, с помощью атомного лазера на основе конденсата Бозе-Эйнштейна можно будет вести изготовление микросхем, собирая их из атомов поштучно.

При использовании углеродных нанотрубок компьютер, эквивалентный современному образцу с 1 млн транзисторов, может иметь объем 0,01 мкм3, а компьютер с памятью 1 Тб — объем 1 мкм3. Как и в случае с наноэлектроникой, быстродействие наномеханического компьютера будет определяться возможностью отвода теплоты. Расчеты Дрекслера показывают, что при температуре окружающей среды около 300 К на 1 Вт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять приблизительно 1016 операций в секунду. При мощности 100 нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объемом 0,01 мкм3) будет обеспечиваться производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру.

В Институте квантовой оптики имени Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics) в городе Гархинг (Германия) был создан микрочип величиной с почтовую марку, помещенный в специальный резервуар. Этот чип содержит нанометрическую оптическую ловушку, которая позволяет получать конденсат Бозе-Эйнштейна. Такой микрочип может стать основой электронно-вычислительных машин шестого поколения с невиданным ранее быстродействием, называемых нейрокомпьютерами.