Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Внимание: официальный список творческих заданий см. на главной странице сайта!

1. Предел Бреммерманна и наноэлектроника: кто кого? (20 баллов)
Автор: доцент НИЯУ МИФИ В.А. Лапшинский

Комментарий к теме
«Не существует системы обработки данных, искусственной или естественной, которая могла бы обрабатывать более, чем 2х1047 бит в секунду на грамм своей массы».
Ханc Бреммерманн, 1962 г.

Как вы думаете, это утверждение справедливо? На чем оно основано? Будет ли это утверждение века транзисторов и интегральных микросхем справедливо в эпоху наноэлектроники?

2. Наноэлектроника и прогнозы в области искусственного интеллекта (20 баллов)
Автор: доцент НИЯУ МИФИ В.А. Лапшинский

Комментарий к теме
В известной книге «Реальность и прогнозы искусственного интеллекта» (М.: МИР, 1987 г.) было написано: «Вообразите, что однажды утром вы просыпаетесь с ощущением, будто ваш мозг пополнился еще одной долей. Эта незримая дополнительная доля головного мозга отвечает на ваши вопросы, сообщая информацию, с которой не под силу справится вашей собственной памяти, предлагает варианты разумного образа действий, а порой задает вопросы, пытаясь уяснить какие-то важные для дела факты. Вскоре вы настолько привыкаете к существованию новой части мозга, что перестаете задумываться на тем, как она работает. Все это мечта тех, кто занимается искусственным интеллектом (ИИ)…»

Насколько мечта приблизилась? Какие возможности для ее реализации предоставит новейшая и будущая наноэлектроника? Каким будет «наноэлектронный мозг»? Смогут ли одновременно существовать и «ладить» между собой естественный и искусственный интеллект? Как вы думаете?

3. Нанотехнологии и наноэлектроника для компьютерных сетей (20 баллов)
Автор: доцент НИЯУ МИФИ В.А. Лапшинский

Комментарий к теме
Нанотехнологии и наноэлектроника оказывают и будут оказывать очень сильное влияние на развитие «компьютерных сетей». Почему слова «компьютерные сети» взяты в кавычки? В будущем будет, очевидно, довольно сложно назвать сети действительно компьютерными. Посудите сами. Недалек тот день, когда будет осуществлен вывод и декодирование информации непосредственно из мозга человека. А далее информация будет поступать во Всемирную сеть… Либо мозг сможет напрямую получать информацию из Всемирной паутины.

В задании автору можно рассмотреть следующие вопросы:
- загрузка и съем информации из мозга человека и ее передача во Всемирную паутину;
- создание сетевых кабелей из «умных» материалов для съема информации из мозга и беспроводные сетевые варианты «загрузки» мозга;
- искусственные импланты в мозг или, например, в сетчатку глаза;
- микро- и наноэлектронная начинка «умных роботов» на земле в воздухе и под водой. Причем, соединенных в беспроводную сеть и, возможно, с мозгом человека и т.д.

Кстати, уже проведены успешные эксперименты, когда обезьяна смогла через мозговые импланты управлять механическим манипулятором за тысячу километров от места своего нахождения, используя сеть! А «умные» медузы, пчелы и тараканы… уже существуют в реальности!

4. Память важнее логики! Наноэлектроника и революционные технологии памяти (20 баллов)
Автор: доцент НИЯУ МИФИ В.А. Лапшинский

Комментарий к теме
Многие специалисты согласны тем, что мозг человека вряд ли был бы наделен сознанием и интеллектом, если бы не огромные объемы информации, которые он способен хранить и обрабатывать в памяти.

В книге «Об интеллекте» (М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2007 г.) Джефф Хокинс пишет, что «площадь коры головного мозга примерно составляет около 2200 см2 , что вдвое превышает площадь поверхности стандартной клавиатуры человека или соответствует размеру большой салфетки… На площади, равной крошечному квадрату со стороной один миллиметр (вдвое меньше, чем буква о в этом тексте), содержится примерно сто тысяч нейронов. Подсчитать точное количество нервных клеток в коре головного мозга практически невозможно, тем не менее некоторые анатомы утверждают, что их число составляет порядка 30 млрд… Стало быть, в нашей голове живут 30 млрд. нейронов, хранящих ваши знания, навыки, накопленный жизненный опыт…»

В современной наноэлектронике уже существует несколько революционных технологий, которые обещают приблизить объем (и даже превзойти его!) искусственной памяти к объему памяти мозга человека. Это технологии памяти типа: MRAM, FeRAM, PCRAM, RRAM…

В реферате предлагается написать о памяти искусственной наноэлектронной и естественной человеческой. Сравнить их между собой. И сделать собственный прогноз развития одной из самых интересных областей наноэлектроники – памяти.

5. Транзисторные структуры углеродной наноэлектроники (20 баллов)
Автор: доцент НИЯУ МИФИ В.А. Лапшинский
Комментарий к теме

Известно, что транзисторные структуры являются основой кремниевой наноэлектроники, рис.1. Однако специалисты считают, что в будущем будут использованы также и транзисторные структуры углеродной наноэлектроники. Такие структуры сегодня уже разрабатываются и исследуются учеными многих стран: графеновые транзисторы, транзисторы из углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Предполагается, что автор задания сделает обзор современных достижений в этой области и сравнит кремниевые и углеродные транзисторные структуры по характеристикам, технологичности при создании интегральных наноэлектронных схем и перспективам совершенствования.

Перед началом подготовки творческого задания полезно почитать статьи:
1. http://www.3dnews.ru/editorial/it_beyond_si – IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния
2. http://elementy.ru/news/430857 – Графен: новые методы получения и последние достижения

Комментарий к теме
Научно-техническое направление, связанное с технологиями добычи, преобразования и накопления даровой энергии, получаемой из окружающего пространства или путем отбора микро-порций энергии, производимой каким-либо объектом, с целью обеспечения электропитания автономных датчиков и других устройств, является одним из наиболее активно развивающихся в настоящее время. В качестве примеров можно указать традиционные солнечные батареи, элементы питания медицинских датчиков, преобразующие в электричество тепловую энергию тела пациента (рис.1), энергию его механического перемещения, устройства, черпающие энергию из фонового радиоизлучения, получающие ее от вибраций, производимых транспортными средствами и от многих других источников.

Предлагается рассмотреть вопросы использования нанотехнологий в области сбора энергии для микро- и наноэлектронных устройств.

7. Наноэлектроника в квантовых компьютерах (20 баллов)
Автор: доцент НИЯУ МИФИ Ю.И. Бочаров

Комментарий к теме
Область квантовых вычислений (рис.2), ее теоретические аспекты и проблемы технического воплощения соответствующих вычислительных средств охватывают очень широкий круг самых разных вопросов. В данном творческом задании предлагается ограничить сферу обзора лишь двумя направлениями: использование наноэлектронных средств в квантовых компьютерах и применение квантовых вычислений в криптографии.

Комментарий к теме
В мозге человека содержится приблизительно 1011 нейронов, каждый из которых имеет примерно 1000 синапсов с частотой переключений около 1кГц. Таким образом, формальная производительность мозга составляет примерно 10111000 103 с-1 или 1017 операций в секунду. В то же время тактовая частота современных компьютеров составляет единицы ГГц, а количество транзисторов на чипе современных процессоров примерно 1 млрд. Так что формальная производительность компьютера уже сейчас превосходит производительность человеческого мозга.

Между тем, всем известно, что компьютер представляет собой «тупое» железо, не способное мыслить и даже ставить себе задачи. В чем разгадка этого парадокса?

Тема не имеет односложного и краткого ответа. Приветствуются любые аргументы и доводы (собственные и заимствованные), с обязательными (!) ссылками на источники информации Желательно, чтобы в в творческом задании присутствовали числа, рисунки (собственные и импортированные из внешних источников) и формулы.

Комментарий к теме
Под «умными» наноматериалами понимают так называемые адаптивные обучаемые материалы, которые можно научить определенным образом реагировать на внешние воздействия и выполнять заданные функции, например:
- изменять цвет под действием тепла или электромагнитного излучения;
- изменять интенсивность поглощения или отражения определенного вида излучения;
- генерировать выделение дополнительной энергии, например, тепловой при понижении температуры;
- изменять пористость при внешних воздействиях и, как следствие, способность к газо- и теплопроницаемости;
- изменять форму, приобретать заданную геометрию при обучении материала в определенных условиях.

Данные материалы, как правило, используют различные кооперативные и синергетические эффекты и явления, протекающие на нано- и микроуровнях.

Сделайте предположение об используемых эффектах и процессах, определите возможные области применения «умных» материалов.

10. Нанобиореакторы (20 баллов)
Автор: профессор СПБГЭТУ ЛЭТИ В.В. Лучинин

Комментарий к теме
Нанобиореакторы реализуют процессы синтеза или размножения определенных видов наноразмерных объектов органической и неорганической природы. Искусственные реакторы, основанные на периодическом колебании температуры, могут продуцировать – реплицировать определенные участки генома, которые отражают его свойства. Такая репликация также позволяет выявить тончайшие нарушения на уровне ДНК, ответственные за возникновение определенных видов болезней. Естественными биореакторами являются клетки, попадание в которые вирусов обеспечивает развитие последних. Однако, сами бактерии могут выполнять функции реакторов и синтезировать в них неорганические вещества, например, минерал-«магнетит» или кластеры других металлов.

Приведите примеры возможного практического использования искусственных и естественных бионанореакторов.

11. Биокомпьютеры (20 баллов)
Автор: профессор СПБГЭТУ ЛЭТИ В.В. Лучинин

Комментарий к теме
Современные представления о биокомпьютере можно рассмотривать в рамках решения двух типов задачах:
- использовать биоорганическое вещество в качестве основной материальной среды, воспользовавшись ее уникальными свойствами.
- сформировать искусственную неорганическую среду из совокупности наноразмерных элементов, которые будут вступать во взаимодействие, инициируя процессы кооперативного взаимообмена энергией и зарядом, создвая синергетическую самоорганизующуюся среду с бионическими принципами обработки информации.

Для биосред и искусственных самоорганизующихся сред характерна ассоциативность и селективность восприятия информации, кооперативность ее обработки, способность к обучению и адаптации. Возможна конвергенция сред, обеспечивающая устойчивость системы, надежность и воспроизводимость результатов.

Необходимо сравнить достоинства и недостатки двух основных направлений создания биокомпьютеров и предложить способы их реализации.

12. «Умная» пыль для исследования космических объектов (20 баллов)
Автор: профессор СПБГЭТУ ЛЭТИ В.В. Лучинин

Комментарий к теме
Под «умной» пылью понимают искусственно создаваемую среду, основой которой являются микроразмерные частицы, интегрирующие в своем теле, микро- и наноразмерные элементы, выполняющие сенсорные, моторные, процессорные, энергогенерирующие и инфотелекоммуникационные функции.

Такие частицы – плод человеческого труда, реализующего сверхминиатюрные объекты, наделенные определенным интеллектом, в массовом масштабе.

Система частиц образуют сеть или так называемую «умную» пыль. Рассеивая «пыль» над объектом можно дистанционно ей управлять и снимать с нее информацию о температуре, электрических и магнитных полях, химическом состоянии окружающей среды.

Предложите возможную архитектуру «умной» пыли, способы реализации и области наиболее эффективного применения.
1. http://www.nestor.minsk.by/kg/news/2007/04/2001.html - «умная» пыль для космических исследований
2. http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2424 – реферат студента МИФИ «Умная пыль» + «умный» рой исследует межпланетное пространство
3. http://popnano.ru/news/show/767 или http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2527 – «умная» роса на службе у Израиля
4. http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2661 или http://popnano.ru/analit/index.php?task=view&id=809 - видео - вездесущие сенсоры «умная пыль» в беспроводной сети
5. http://www.newsru.com/russia/19apr2007/dengi_v_pyl.html - В России заявили о разработках нанооружия в виде «умной» пыли. Правительство выделяет на технологии "большие деньги"
6. http://www.nanonewsnet.ru/blog....om-dele - Нанотехнологии в военном деле («умная» пыль)

Комментарий к теме
В Википедии [1] пишется «Blue Brain Project – проект по компьютерному моделированию неокортекса человека. Начался в июле 2005 года. Над проектом совместно работают компания IBM и Швейцарский Федеральный Технический Институт Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne – EPFL).

Основной структурной единицей неокортекса (новой коры головного мозга) человека является нейронная колонка (рис.). Одна такая колонка содержит порядка 103—104 нейронов, дендриты которых проходят через всю высоту колонки. Неокортекс и каждая его колонка состоит из 6 слоёв. Толщина каждого слоя примерно равна толщине кредитной карточки. Количество слоёв играет существенную роль в мыслительном процессе. Так, например, у собаки 4 слоя новой коры, из-за чего она не обладает способностью достаточно подробно прогнозировать ситуацию и не может вычислить следующее логическое действие.

Проект использует суперкомпьютер Blue Gene для моделирования колонок. В конце 2006 года удалось смоделировать одну колонку неокортекса молодой крысы. При этом использовался один компьютер Blue Gene и было задействовано 8192 процессора для моделирования 10000 нейронов. То есть практически один процессор моделировал один нейрон. Для соединения нейронов было смоделировано порядка 3×107 синапсов.

На текущий момент команда работает над «режимом реального времени», при котором 1 секунда реального времени работы мозга моделируется процессорами за 1 секунду.

Задачи получить искусственное сознание не стоит. Как остроумно замечают участники Blue Brain Project, «мы не можем в точности сформулировать, что есть сознание, поэтому трудно даже рассуждать о проблеме его моделирования». Впрочем, они добавляют: «сознание может получиться само собой» [2,3].

Автору творческого задания предлагается:
- оценить перспективы проекта и возможность создания искусственного сознания. Ваши доводы «за» и «против»;
- предложить свои идеи, которые помогут успешному развитию проекта;
- ответить на вопрос, какие достижения наноэлектроники в будущем могут повлиять на развитие данного проекта.
1. http://ru.wikipedia.org/wiki/BBP – Википедия о проекте «Blue Brain»
2. http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2842 – о проекте «Blue Brain» на сайте студентов МИФИ
3. http://www.popmech.ru/article/5720-siniy-mozg/ – Исследователи, работающие над проектом «Blue Brain», обещают уже лет через 10 представить первый искусственный мозг

Комментарий к теме
Нужно признать, что та часть науки, которая создается умом и руками человека (в том числе наноэлектроника), составляет лишь незначительную часть из того, что еще необходимо изучить и понять из созданного природой. Мир, в котором мы живем, пока еще во многом не познан.

В работе [1] говорится: «Подавляющее число реакций (прим. автора: например, химических), реализованных руками человека, относится к «неорганизованным» реакциям, в которых частицы (молекулы, ионы, радикалы атомы) реагируют при случайных встречах (во времени и пространстве). В тоже время «природная» химия является высокоорганизованной, т.е. почти все химические превращения осуществляются в системах с молекулярным и надмолекулярном порядком. Целые каскады биохимических реакций организованы в пространстве и во времени. Так при фоторецепции каждый поглощенный сечтаткой глаза световой квант запускает огромный каскад реакций, приводящий на финише к циклическому гуанозинмонофостфату (квантовый выход 104), который создает на мембране электрический потенциал…, который далее регистрируется как сигнал восприятия света».

Ученые Европы, используя современные технологии промышленного производства интегральных микросхем создали чип, который имитирует человеческий мозг. На кристалле расположено 384 нейрона и 100 тысяч синапсов. Более поздняя версия такого чипа содержит уже 200 тысяч нейронов и 50 миллионов синапсов [2].

В общем, наш мир – это сложная и многогранная совокупность макро-, микро- и нанореактров. В частности, к простейшим микрореакторам относят ванн-дер-ваальсовы молекулы, двойные электрические слои, мономолекулярные слои типа Лэнгмюра-Блоджетт, межфазные границы, мембраны…[1].

Мозг – макрореактор колоссальной сложности. В нем осуществляется огромное количество реакций, ответственных за синтез запоминающих молекулярных структур, формирующих память и всю систему управления живым организмом. Мозг – реактор ключевого значения во всей науке живого,, в котором осуществляются преобразования: химической энергии в электрическую энергию; коммуникации между нейронами мозга и т.д. [1].

В настоящее время уже существуют «умные кристаллы» и технологии наноэлектронных запоминающих устройств (ЗУ), которые приблизились к тому, что число элементов памяти в таких ЗУ приближается к числу нейронов в мозге человека [3].

Участнику олимпиады предлагается ответить на следующие вопросы:
1. Назвать технологические процессы современной микро- и наноэлектроники, в которых ум и руки человека пытаются соревноваться с природой, организую каскады химических реакций, позволяющих реализовать организованное взаимодействие молекул, атомов, ионов и радикалов в пространстве и времени и, одновременно, создавать наноэлектронные приборы и интегральные микро- и наносхемы (ИМС и ИНС) (3 балла);
2. Назвать типы создаваемых человеком приборов и ИМС/ИНС (3 балла);
3. Пояснить, что понимается под «квантовым выходом»? (1 балл);
4. Какова амплитуда сигнала восприятия света в мозгу человека, например в Вольтах? (2 балла)
5. Каково соотношение между амплитудами сигналов, например, восприятия света в мозгу человека и тех, сигналов, которые используются в наноэлектронных приборах, ИМС и ИНС? (3 балла)
6. Дайте названия макро-, микро- и нанореакторов (технологического оборудования микро- и наноэлектроники), которые используются сегодня при изготовлении наноэлектронных приборов и ИМС/ИНС (3 балла).
7. Каково сегодня соотношение между размерами/площадью элементов памяти, которые создаются человеком в ИМС/ИНС и запоминающими молекулярными структурами, формирующими память и всю систему управления живыми организмами, например, организмом человека? (2 балла).
8. Приведите примеры современных революционных нанотехнологий ЗУ (3 балла).
1. http://chem/msu.su/rus/Buchachenko/buch3.html – Химия на рубеже веков: свершения и прогноз академика РАН А.Л. Бучаченко (статья опубликована в журнале «Успехи химии» и представляет собой расширенный вариант доклада автора на Общем собрании Отделения общей и технической химии РАН)
2. http://www.technologyreview.com/computing/22339/ – Duncan Graham-Rowe, Building a Brain on a Silicon Chip («Конструируя человеческий мозг на кремниевом кристалле»)
3. www.valinfo.ru – В.А. Лапшинский «Творческие задания для олимпиады «Наноэлектроника-2011» в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

15. Нейромедиаторы, мозг человека и наноэлектроника (20 баллов при правильных ответах на все вопросы)
Автор: доцент НИЯУ МИФИ В.А. Лапшинский

Комментарий к теме
«Основная задача мозга – это преобразование химической энергии в электрическую, а решать эту задачу призваны нейромедиаторы» [1]. Такие нейромедиаторы обеспечивают коммуникацию между нейронами мозга, формирование электрических потенциалов и передачу электрических сигналов путем перезарядки мембран. Они управляют паутиной импульсов и потенциалов, руководящих всеми функциями живого организма.

В настоящее время уже существуют «умные кристаллы» (рис.) с нанометровыми размерами своих элементов (процессоры сегодняшних персональных компьютеров, технологии нейрочипов, наноэлектронных запоминающих устройств (ЗУ) и т.д.) [2], в которых функционирует искусственно созданная руками человека паутина импульсов и потенциалов.

Участнику олимпиады предлагается ответить на следующие вопросы
1. Какие нейромедиаторы сегодня уже известны (3 балла)?
2. Какие потенциалы формируются с помощью нейромедиаторов (3 балла)
3. Каково сегодня соотношение между потенциалами, которые формируются нейромедиатарами, с одной стороны, и используются человеком в ИМС/ИНС, например, в «паутине» логических элементов на чипе/кристалле интегральных микро- и нано интегральных схем запоминающих устройств и процессоров (например, в вашем персональном компьютере), с другой? (3 балла)
4. Как связаны между собой недостаточность в мозге нейромедиаторов и болезнь человека под названием «слабоумие»? (4 балла)
5. Увеличивается или уменьшается число нейромедиаторов у человека с возрастом и почему? (3 балла)
6. В чем заключаются преимущества и недостатки природной памяти человека, которая создается при содействии нейромедиаторов, по сравнению с наноэлектронными запоминающими устройствами, например, в виде ИМС/ИНС? (4 балла)
1. http://chem/msu.su/rus/Buchachenko/buch3.html – Химия на рубеже веков: свершения и прогноз академика РАН А.Л. Бучаченко (статья опубликована в журнале «Успехи химии» и представляет собой расширенный вариант доклада автора на Общем собрании Отделения общей и технической химии РАН)
2. http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showforum=114 – о современной и будущей памяти компьютеров на сайте студентов МИФИ