Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

2. История и прогнозы для электроники и «живых систем»

Корни всякого открытия лежат далеко в глубине. Как волны, бьющиеся с разбегу о берег, много раз плещется человеческая мысль около подготавливаемого открытия, пока не придёт девятый вал.

В.И. Вернадский

История говорит о том, что многие разработчики основ теории и практики будущих нанотехнологий и ноноэлектроники получили в своё время Нобелевские премии. почему бы не помечтать об этом ? А заодно проверить себя на знание прогнозов, связанных с важными открытиями, достижениями и понятиями в этой области с учётом предполагаемого времени их появления (см. таблицу 2)?

Таблица 2. Взгляд в будущее электроники

Год	Прогноз
2017	Компьютерная память не будет делиться на оперативную и постоянную. Увеличение пропускной способности Интернета и широкое распространение мобильной связи приведут к отказу от съёмных накопителей данных
2020	переход от кремниевых технологий к более совершенным квантовым. Более компактные быстродействующие и дешёвые компьютеры. Возможность наделять промышленные продукты интеллектуальными и коммуникационными способностями. Компьютеры ценой в 100 долларов достигнут обрабатывающей мощности человеческого мозга – 2*1016 операций в секунду. Внедрение микрочипов в окружающие нас предметы, и в нас самих. Появление трёхмерных виртуальных дисплеев, заключённые в очки и контактные линзы, для выход в Интернет. Взаимодействие с компьютером при помощи жестов и голосовой связи
2029	Компьютер ценой в 1000 долларов превзойдёт человеческий мозг в тысячу раз. Импланты для глаз и ушей будут использоваться для обмена информацией. Способность компьютерных устройств к самообучению
2030	Распространение вживлённых устройств с прямым доступом к нейронам
2035	Появляются компьютерные системы, способные «персонально» выявлять и уничтожать вирусы в организме человека. Создание искусственных органов, которые будут полноценно заменять естественные благодаря биотехнологиям и встроенным в них микрокомпьютерам
2050	Исследования в области клетки приблизят возможность замены тканей и органов, включая нейроны, которые раньше считались незаменимыми. возможность наделения клеток и тканей обработки и передачи данных. Контроль над живыми процессами даст надежду на увеличение продолжительности жизни. В мире киберпространства воцарятся микро- и наноустройства ( интеллектуальная пыль). Интернет будет отождествляться почти со всем реальным миром грань между реальным и виртуальным мирами начнёт исчезать. Устройства, обладающие достаточным интеллектом, чтобы уметь делать выводы и давать рекомендации, будут буквально «носиться в воздухе», что сделает частную жизнь и обособленность устаревшими понятиями
2060	Компьютер сравняется по силе разума со всем человечеством
2072	Начнется практическое использование пикоинженерии – технологии, оперирующей объектами размером порядка 10-12 м
2099	Исчезает чёткая разница между человеком и компьютером. Машинный разум, возникший на основе расширенного человеческого разума , заявит о своих притязаниях на то, чтобы считаться равным человеческому, хотя его действия основаны не на углеродных клеточных процессах, а на их электронных и фотонных эквивалентах. Повсеместно станут использоваться нейроимплантационные технологии, обеспечивающие колоссальное увеличение перцепционных и когнитивных способностей человека. Человечество выработает единый удобный стандарт предоставления информации. Любой процесс обучения сведётся к приобретению действительно нового знания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лауреат Нобелевской премии известный американский физик Ричард Фейман в своих лекциях для студентов говорил: «Я уверен, что в физике история не повторяется… так что от истории науки не следует ждать особой помощи». Но есть и противоположная точка зрения.

Развитие наноэлектроники и нанотехнологий - процесс интересный и поучительный. В кратком курсе истории открытия фуллерена [2] (перспективного материала углеродной электроники) сообщается, что решающую роль формировании гипотезы о структуре молекул фуллеренов сыграло применение теоремы Эйлера о соотношении числа граней, вершин и рёбер в выпуклых многогранниках. А изучением многогранников намного раньше Эйлера занимались Платон, Архимед, Леонардо да Винчи… таким образом, налицо связь времён, осуществляемая через фундаментальные математические основы

 Современные изделия наноэлектроники имеют довольно сложную архитектуру. Для их создания используются многие достижения современных высоких технологий в области физики, биологии, химии, математики. Считается, что по числу элементов и своей архитектуре нынешние электронные системы приближаются к важнейшей «живой системе» - мозгу человека (рис. 2 и 3). 

Рис. 2. Взгляд в будущее компьютеров

Рис. 3. Две ветви развития эволюции 

 

Поговорим немного о «разумной» наноэлектронике. Понятие «разумная» наноэлектроника сегодня не имеет общепонятного значения, так как термины разум и сознание. Неизвестно и «точное» соотношение разума и сознания с мозгом человека (рис.4).

Рис. 4. Рост степени интеграции и информационного объёма интегральных схем полупроводниковой памяти [3]

Понятие искусственного интеллекта (ИИ) имеет давнюю историю. В этой области своя терминология, научные достижения и практические результаты. Здесь можно задать вопросы и сформулировать ответы для выбора. Чтобы приблизится к смыслу понятия ««разумная» наноэлектроника», конечно же, следует знать кое-что об истории и достижениях ИИ. Любой прогноз в области электроники, компьютеров, ИТ-технологий и ИИ в итоге ориентируется на «живые системы» и «разумную» наноэлектронику.

3. Наномир и основы наноэлектроники

Что отнести к классическим явлениям, а что к квантовым  - всего лишь вопрос денег.

Из сборника «Физики всё ещё шутят»

Мир, в котором мы живём, физики традиционно называют макромиром. Характерный размер для измерений в данном случае составляет 1 м (сравним с ростом человека). В конце XIX в. учёные обнаружили, что существует ещё и мир атомов (его называют микромиром), где для построения шкалы размеров используют ангстрем (в 10^-10 меньше метра. Это размер атомов). Ещё раньше астрономы узнали о мегамире галактик, где все измеряется в парсеках (30 парсек = 10¹⁵ м). В наномире, естественно, используют 1 нанометр (нм), или 10^-9 м.

Все «миры» тесно взаимосвязаны. Физики, занимающиеся «большой» наукой, до сих пор ищут связи между нано-, микро-, макро-, и мегамирами. Ну а учёные других специальностей усиленно исследуют взаимосвязи наномира с миром живой природы или миром «живых систем», в частности с миром живых клеток.

Основной материал наноэлектроники в настоящее время – кремний. Очевидно, что свойства этого полупроводникового материала нужно хорошо знать, впрочем, как и его оксида SiO₂ – диэлектрика. Однако предельные возможности кремния и технологий создания кремниевых приборов и интегральных схем сегодня уже вполне обозримы. Поэтому в  качестве претендента на главную роль в электронике будущего называют усиленно изучаемый многими учёными углерод и его модификации. Важно отметить что углерод является основой «живых систем».

Суть вопросов об интегральных схемах состоит в том, как знания о материалах и веществах, процессах и явлениях в наномире отобразить во вполне конкретные технологии, приборы и интегральные схемы, которые служат базой для современного электронного мира. Здесь стоит, пожалуй, начать с «цены вопроса» - стоимости производства интегральных схем для сердца персонального компьютера – его центрального процессора[2]

Заключение

Благодаря развитиям нанотехнологий развивается быстродействие и мощность компьютеров – машин, которые присутствуют в нашей повседневной жизни. Появляются всё больше приспособлений для упрощения жизни, для медицины и т.д. Но на этом человечество не останавливается.  Скорее всего начнутся исследования в области  пикотехнологий, которые дадут возможность их применения. Персональные компьютеры и мобильные устройства будут занимать всё меньше и меньше места, при этом повышая свою производительность