| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
"Наноматериалы и нанотехнологии для сетей"
Введение
Современное общество существует в такое время, для которого, характерен огромный рост объема информационных потоков. Это относится ко всем сферам жизни. Рыночные отношения выставляют жесткие требования к своевременности, достоверности и полноте информации. Применение современных ЭВМ дает возможность делегировать трудоемкие операции автоматическим или автоматизированным устройствам, которые могут работать со скоростью, превышающей скорость обработки данных человеческим мозгом на несколько порядков. Использование ЭВМ ведет к фундаментальной перестройке технологии производства почти во всех отраслях промышленности, коммерческой и финансово-кредитной деятельности и, как итог, к росту производительности и улучшению условий труда людей [1]. Собственно поэтому за свою относительно недолгую историю отрасль науки и техники, связанная с сетевыми технологиями совершила громадный скачок и продолжает развиваться стремительно, её достижениями сейчас пользуется практически каждый человек в мире.
Ожидается, что новые открытия в области материалов в масштабе нанометров будут играть важную роль в решении текущих и будущих задач в области коммуникации. Устройства и системы для сверхскоростных линий связи ближнего и дальнего радиуса действия, портативные и энергоэффективные вычислительные устройства, высокоплотная память и логика, сверхбыстрые межсоединения. Далее будут представлены некоторые интересные недавние разработки в области наноматериалов, которые могут сыграть решающую роль в развитии и преобразовании будущих интеллектуальных сетей связи.
1 Понятия и последние достижения в областях НМ и НТ
Нанотехнологии - это область исследований и инноваций, связанная с созданием «вещей» - как правило, материалов (Рис.1) и устройств - в масштабе атомов и молекул. Нанометр равен одной миллиардной части метра: в десять раз больше диаметра атома водорода. Диаметр человеческого волоса составляет в среднем 80000 нанометров. В таких масштабах обычные правила физики и химии больше не применяются. Например, характеристики материалов, такие как их цвет, прочность, проводимость и реакционная способность, могут существенно различаться в наноразмерном и макроуровне. Углеродные «нанотрубки», например, в 100 раз прочнее стали, но в шесть раз легче.
ё
Рис.1 Высокое разрешение изображения полимер-силикатного нанокомпозита. Этот материал обладает улучшенными термическими, механическими и барьерными свойствами и может быть использован в контейнерах для пищевых продуктов и напитков, топливных баках для самолетов и автомобилей, а также в аэрокосмических компонентах. (Изображение предоставлено НАСА.)
Нанотехнологии имеют огромный потенциал повышения эффективности энергопотребления, очистки окружающей среды и решения серьезных проблем со здоровьем. Говорят, что они способны значительно увеличить производство при значительно сниженных затратах. По словам сторонников нанотехнологий, их продукты будут меньше, дешевле, легче, функциональнее и потреблять меньше энергии и меньше сырья.
Многие преимущества нанотехнологий зависят от того факта, что можно создавать структуры материалов в чрезвычайно малых масштабах для достижения определенных свойств, что значительно расширяет набор материалов для практического применения. Используя нанотехнологии, материалы можно эффективно сделать более прочными, более легкими, более долговечными, более реактивными, более ситоподобными или более качественными электрическими проводниками. Перечень некоторых коммерческих продуктов, которые есть в настоящее время на рынке и в повседневном использовании, основанные на наноразмерных материалах и процессах: прозрачные наноразмерные пленки на очках, экранах компьютеров и фотоаппаратов, окнах и других поверхностях могут сделать их водоотталкивающими, самоочищающимися, устойчивыми к ультрафиолетовому или инфракрасному излучению, противотуманными, антимикробными, устойчивыми к царапинам или проводящими электричество. Наноразмерные материалы начинают создавать моющиеся, долговечные «умные ткани», оснащенные гибкими наноразмерными датчиками и электроникой с возможностями мониторинга состояния здоровья, сбора солнечной энергии и сбора энергии при движении. Легкий вес автомобилей, грузовиков, самолетов, лодок и космических кораблей может привести к значительной экономии топлива. Наноразмерные добавки в полимерных композиционных материалах используются в бейсбольных битах, теннисных ракетках, велосипедах, мотоциклетных шлемах, автомобильных деталях, багаже и корпусах электроинструментов, что делает их легкими, жесткими, долговечными и эластичными. Листы из углеродных нанотрубок в настоящее время производятся для использования в воздушных судах следующего поколения. Например, сочетание легкого веса и проводимости делает их идеальными для таких применений, как электромагнитное экранирование и управление температурой.
Нано-биоинженерия ферментов направлена на то, чтобы обеспечить превращение целлюлозы из древесной щепы, стеблей кукурузы, многолетних трав и т. д. В этанол для топлива. Целлюлозные наноматериалы продемонстрировали потенциальное применение в широком спектре отраслей промышленности, включая электронику, строительство, упаковку, продукты питания, энергетику, здравоохранение, автомобилестроение и оборону. Предполагается, что целлюлозные наноматериалы будут дешевле, чем многие другие наноматериалы, и, помимо других характеристик, демонстрируют впечатляющее соотношение прочности и веса. Наноинженерные материалы в автомобильной продукции включают мощные аккумуляторные системы; термоэлектрические материалы для контроля температуры; шины с более низким сопротивлением качению; высокоэффективные недорогие датчики и электроника; тонкопленочные интеллектуальные солнечные панели; и присадки к топливу для более чистого. Наноструктурные керамические покрытия проявляют большую ударную вязкость, чем обычные износостойкие покрытия для деталей машин. Смазочные материалы и моторные масла на основе нанотехнологий также значительно снижают износ, что может существенно продлить срок службы движущихся частей во всем, от электроинструментов до промышленного оборудования. Наночастицы все чаще используются в катализе для ускорения химических реакций. Это уменьшает количество каталитических материалов, необходимых для получения желаемых результатов, экономя деньги и сокращая количество загрязняющих веществ. Применяется данное свойство в нефтепереработке и в автомобильных каталитических нейтрализаторах. Наноинженерные материалы обеспечивают создание сверхэффективных бытовых продуктов, таких как обезжириватели и пятновыводители; датчики окружающей среды, воздухоочистители и фильтры; антибактериальные моющие средства; и специализированные красочные покрытия и герметизирующие средства, такие как самоочищающиеся краски для дома, которые противостоят грязи и налету. Наноразмерные материалы также включаются в различные средства личной гигиены для повышения их эффекта. Наноразмерный диоксид титана и оксид цинка использовались в солнцезащитных кремах для защиты от солнца и невидимости на коже.
Нанотехнологии внесли значительный вклад в развитие компьютерных технологий и электроники, что привело к созданию более быстрых и более портативных систем, которые могут управлять и хранить все большие и большие объемы информации. Эти постоянно развивающиеся приложения включают в себя: Транзисторы, основные переключатели, которые обеспечивают все современные вычисления, стали меньше благодаря нанотехнологиям. На рубеже веков типичный транзистор имел размеры от 130 до 250 нанометров. В 2014 году Intel создала 14-нанометровый транзистор, затем в 2015 году IBM создала первый семи-нанометровый транзистор, а в 2016 году Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли продемонстрировала один нанометровый транзистор! Меньшие, более быстрые и лучшие транзисторы могут обещать, что скоро вся память вашего компьютера может быть сохранена на одном крошечном чипе. Используя магнитную оперативную память (MRAM), компьютеры смогут «загружаться» практически мгновенно. MRAM обеспечивается магнитными туннельными переходами нанометрового масштаба и может быстро и эффективно сохранять данные во время выключения системы или включать функции возобновления воспроизведения.
В настоящее время продаются дисплеи и телевизоры сверхвысокой четкости, в которых используются квантовые точки для получения более ярких цветов. Гибкая, складываемая, раскручиваемая и растягиваемая электроника распространяется в различных секторах и интегрируется в различные продукты, включая носимые, медицинские приложения, аэрокосмические приложения и IoT. Гибкая электроника была разработана с использованием, например, полупроводниковых наномембран для приложений в дисплеях смартфонов и электронных книг. Другие наноматериалы, такие как графеновые и целлюлозные наноматериалы, используются для различных типов гибкой электроники, позволяющей использовать датчики для носки и татуировки, фотоэлектрические элементы, которые можно пришивать на одежду, и электронную бумагу, которую можно свернуть. Создание плоской, гибкой, легкой, высокоэффективной электроники открывает двери для бесчисленных интеллектуальных продуктов. Другие компьютерные и электронные продукты включают чипы флэш-памяти для смартфонов и флэш-накопителей; сверхчувствительные слуховые аппараты; антимикробные и антибактериальные покрытия на клавиатурах и корпусах сотовых телефонов; проводящие чернила для печатной электроники для RFID / смарт-карт / смарт-упаковки; и гибкие дисплеи для чтения электронных книг.Суспензии из наночастиц меди были разработаны в качестве более безопасной, дешевой и более надежной альтернативы припою на основе свинца и другим опасным материалам, обычно используемым для плавления электроники в процессе сборки [2].
2 Использование наноматериалов в производстве кабелей связи
Уже используемые и потенциальные возможности применения нанотехнологии в кабельной отрасли: сшивание и фторполимеры; углеродные нанотрубки и наноглины в качестве наполнителей для огнестойких кабелей; металлические порошки в электропроводящих слоях; сверхпроводимость и нанокерамика. Производственные процессы рассматриваются с точки зрения создания группы специальных кабелей, которые способны предупредить потребителей о сбоях и коротких замыканиях в своих электрических цепях, способны устранить последствия при возникновении повреждений или могут оставаться чистыми благодаря наличию покрытия, не поддающегося загрязнению. Чрезвычайно привлекательная перспектива достижения высокой экономической эффективности при производстве практически каждого отдельного кабеля или провода, несомненно, вызывает большой интерес, но в то же время подразумевает немало проблем. Новые наноматериалы должны быть экологически безопасны и совершенно безвредны для окружающей среды. Кабельная промышленность, перед которой и раньше стояли задачи освоения новых материалов, не может позволить себе отставание в этой перспективной, развивающейся технологии, несмотря на все сложности, сопутствующие разработке наноматериалов для кабельного производства.
Многие материалы проявляют фундаментально другие физические свойства, которые становятся очевидными только на уровне нанометрических размеров (менее 100 нанометров). Это такие свойства, как: электропроводность, теплоемкость, модуль Юнга, поверхностная свободная энергия, механическая прочность и т. д. Все эти характеристики могут быть использованы для создания "умных кабелей", способных реагировать на окружающие обстоятельства таким образом, который не доступен традиционным "немым кабелям".
Примером применения нанотехнологии является изготовление обмоточного провода с использованием тонко-дисперсного порошка окиси кремния, введенного химическим способом в полиимидную изоляцию. Этот метод позволил улучшить качество готового провода и повысить его температурный индекс С до 280 С для стандартных эмалированных проводов). (по сравнению с 240 В этом контексте следует упомянуть попытки получить "идеально чистый" нанопровод, к которому не пристают частицы пыли, масел, воды. Таким образом, за счет самоочищения провода имеется потенциальная возможность увеличения срока службы катушек и обмоток электродвигателей, магнитов. Проводятся исследования с целью создания наноскопических коаксиальных кабелей для передачи светового сигнала. Основная идея состоит в том, чтобы уменьшить коаксиальный кабель примерно в 10 000 раз, тогда его диаметр будет меньше, чем длина волны видимой области спектра. Созданный образец такого кабеля работает так же, как традиционный коаксиальный кабель, но разница в том, что этот наноскопический кабель имеет диаметр всего 300 нанометров и он короче самой короткой волны видимого света и не видим человеческому глазу. Углеродная нанотрубка заменяет внутренний проводник, пленка оксида алюминия заменяет пластмассовый слой, а покрытие из хрома или алюминия заменяет наружную оболочку. В настоящее время длина самых длинных из них не превышает 20 микрометров. Такие коаксиальные нанокабели не являются кандидатами для замены оптических волокон. Как считают ученые, разработка таких кабелей может привести к инновационным решениям в области фоточувствительных элементов, искусственной сетчатки глаза, компонентов квантового компьютера. Использование инновационной технологии деформационного текстурирования дает возможность получать сверхпроводящие ленты, которые могут передавать ток с плотностью на уровне 1000 А/см2. Сверхпроводящая лента с покрытием состоит из трех компонентов: металлической подложки (из никеля или сплава на основе никеля, обычно толщиной 25-50 мкм, полученной при помощи технологии деформационного текстурирования), буферного слоя (нанесенного методом осаждения) и сверхпроводящего слоя YBCO или слоя висмута (полученного при помощи золь-гелевой технология и методом химического осаждения из паровой (газовой) фазы металлоорганических соединений). Многие проблемы, связанные со сверхпроводимостью, уже были преодолены благодаря развитию нанотехнологии. Теперь стало возможным вырастить пленку нужной длины, поддерживающую очень высокие сверхтоки. Провода могут быть изготовлены путем помещения сверхпроводника на основе висмута в серебряные трубки, которые затем нагревают и прокатывают для получения более однородной микроструктуры. Такие провода уже используются в качестве токовводов для ультрахолодных сверхпроводящих магнитов, при этом возможно значительно снизить требуемую мощность системы охлаждения.
В настоящее время перед учеными и производителями стоит задача интегрирования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в действующие системы. Интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области сверхпроводящих материалов и нанотехнологий для получения конечных продуктов проводятся в США, Европе и Азии [3].
3 Нанотехнологии для устройств связи
Повышенный спрос на бесперебойную связь с интеллектуальными окружающими системами и неограниченной мобильностью требует более высоких скоростей передачи данных, что приводит к увеличению объема памяти и вычислительных возможностей, необходимых в устройствах связи, требуя при этом меньший форм-фактор и более низкое энергопотребление. На протяжении более десяти лет большая часть работы была сосредоточена на улучшении традиционной технологии межсоединений для связи внутри кристалла, между кристаллами и между платами путем уменьшения удельного сопротивления проводников, таких как медь (Cu) и уменьшение диэлектрической проницаемости межслойных диэлектрических материалов с помощью К-полимеров. Когда скорость передачи данных приближается к 10 млрд. Б / с, размер медных проводов приближается к средней длине свободного пробега электронов в объемном Cu (40 нм при комнатной температуре), что приводит к чрезмерному удельному сопротивлению в межсоединениях. Во многом это связано с вкладом микроскопических дефектов в медную проволоку, из-за которых сигналы, преодолевающие расстояния даже 50 см, сильно ухудшаются, из-за высокого теплового рассеяния. Следовательно, межсоединения считаются одной из самых сложных задач, с которыми сталкивается системная интеграция. В настоящее время более 70 процентов емкости высокопроизводительного чипа связано с межсоединениями, а динамическое рассеивание мощности, связанное с межсоединениями, больше, чем у транзисторов. (Рис. 2)
Рис. 2 Различные технологии межсоединений, которые могли бы извлечь выгоду из быстрого развития в области наноматериалов и устройств. Изображения любезно предоставлены корпорацией Intel и Getty Images, e) IBM и f)
Дополнительная проблема с медными межсоединениями, несущими цифровую информацию, заключалась в том, что их недостаточно для обеспечения необходимых соединений, требуемых экспоненциально растущим числом транзисторов, что препятствует продвижению будущих сверхбольших вычислений. Паразитное сопротивление, емкость и индуктивность, связанные с медными электрическими межсоединениями, начинают ограничивать рабочие характеристики схемы и все чаще становятся одним из основных барьеров на пути развития технологии сверхбольших интегральных измерений глубокой субмикрометрии (ULSI). Прежде всего, задержка сигнала в межсоединениях увеличивалась, становясь существенным ограничением скорости цифровых цепей и приводя к замедлению тенденции тактовой частоты в микропроцессорах. Все эти проблемы не могут быть решены с помощью современных технологий. Одной из возможных схем межсоединений является использование активных фотонных межсоединений и оптических межсоединений в свободном пространстве. На рисунке 1 изображено несколько различных технологий межсоединений, которые могли бы извлечь выгоду из быстрого развития в области наноматериалов и устройств.
Фотонные межсоединения, такие как оптические волноводы или оптоволоконные кабели, могут передавать цифровые данные с пропускной способностью на три порядка больше, чем электронные межсоединения. В отличие от электронных данных, оптические сигналы могут проходить десятки километров без искажений или затухания. Кроме того, несколько десятков каналов высокоскоростных данных, каждый с уникальной длиной волны, могут быть упакованы в одно волокно с помощью технологии, известной как мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM). Сегодня 40 отдельных сигналов, каждый из которых работает со скоростью 10 Гбит / с, можно уложить на тонкое волокно. Несмотря на все эти привлекательные характеристики, причинами, по которым фотонные звенья не получили широкого распространения, являются высокая стоимость компонентов, большой размер и сложность интеграции с комплементарной схемой металл-оксид-полупроводник (CMOS).
Современные устройства оптической связи представляют собой специализированные компоненты, изготовленные из арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP), ниобата лития (LiN) и других экзотических материалов, которые трудно интегрировать в кремниевые чипы. Это делает их сборку намного более сложной, чем сборка обычной электроники, потому что пути прохождения света должны быть тщательно выровнены с точностью до микрометра. В некотором смысле, индустрия фотоники - это то, где электронная индустрия была полвека назад до прорыва интегральной схемы. Логический способ продвижения фотонных межкомпонентных соединений на массовый рынок - это внедрение инновационной интеграции, массового производства и недорогой сборки [4].
4 Нанотехнологии для вычислительной техники
Для того чтобы миниатюризировать устройства, выходящие за пределы обычной КМОП-технологии, появились новые концепции, такие как электроника молекулярного масштаба, мемристоры, низкоразмерные полупроводники, а также органические структуры и одноэлектронные транзисторы разрабатывающиеся в качестве замены технологий на основе Si для решения проблемы постоянно растущей скорости связи, которая требует увеличения вычислительных возможностей при ограниченной мощности. Следовательно, наноэлектроника за пределами КМОП будет использовать совершенно разные подходы как в структуре активных устройств, так и в межсоединениях. Это потребует новых наноматериалов и инноваций в их взаимосвязи, методов изготовления и, самое главное, фундаментального понимания взаимодействия с устройствами. (Рис. 3)
Быстрые успехи в создании нанометрических устройств расширят границы миниатюризации до беспрецедентных уровней и, возможно, продемонстрируют новые свойства, связанные с соединением стандартных электронных компонентов с нетрадиционными электронными материалами, такими как молекулы, окислительно-восстановительные активные белки, полупроводниковые нанокристаллы, нанотрубки, графены, халькогениды, и даже органические материалы, такие как ДНК. Одним интересным подходом к миниатюризации устройства является молекулярная электроника, которая использует отдельные молекулы или небольшие группы молекул в качестве компонентов в электронных устройствах; с длиной элемента, составляющей всего 1 нм, она обещает дать жизнь новому поколению устройств масштабируемых до наноразмерного диапазона. Эти новые устройства должны быть интегрированы в сложные системы обработки информации, состоящие из миллиардов и, в конечном итоге, триллионов деталей, причем все это по низкой цене. К счастью, эти компоненты молекулярного масштаба пригодны для относительно крупномасштабных производственных процессов, основанных на методах химического синтеза и самосборки. Используя преимущества этих ключевых инструментов нанотехнологии, можно ограничить количество литографической информации, необходимой для создания сложной системы.
Рис. 3 Производительность линий связи с современными и появляющимися наноразмерными устройствами и системами.
Непосредственным побочным продуктом исследований в области молекулярной электроники является демонстрация нового электрического элемента, называемого мемристором, который не только ведет себя как резистор, который просто сопротивляется потоку электрического тока, но также отображает способность запоминать последний ток, который он испытал. В мире интегральных микросхем эта способность запоминать последний ток обычно требует множества различных компонентов. Уже можно считать мемристор четвертым элементом фундаментальной цепи, наряду с конденсатором, резистором и индуктором - считают, что каждый мемристор может занять от 7 до 12 транзисторов и хранить свою память без питания, Напротив, транзисторам всегда требуется питание, поэтому происходит значительная потеря мощности из-за токов утечки. В течение десятилетий попытки создать электронный интеллект, который может имитировать удивительную силу человеческого мозга, не принесли большого успеха из-за этого недостающего важного электронного компонента - мемристора. Комбинируя свойства мемристоров со свойствами конденсаторов и индукторов для производства составных устройств, называемых мемконденсаторами и меминдукторами, можно разработать сложные процессоры, напоминающие синапсы коры человека, с высокойплотностью упаковки, в 10 раз больше, чем могут предложить современные микропроцессоры. В настоящее время предполагается, что в ближайшем будущем будет возможно реализовать более 50 Гбайт памяти с низким энергопотреблением на мобильных устройствах на основе мемристоров.
Среди некоторых других органических наноматериалов ДНК в настоящее время считается идеальным каркасом для направленной организации материалов на наноуровне благодаря своим физико-химическим свойствам. Например, её длина и последовательность могут быть легко определены ферментативными и синтетическими методами с нанометрической точностью, так как каждая пара оснований вносит вклад в линейную цепь ДНК около 0,34 нм. Кроме того, последовательность ДНК может быть запрограммирована для создания высокоорганизованных и сложных надстроек посредством самосборки. Наконец, склонность двух комплементарных цепей ДНК к гибридизации в дуплекс даже при удалении из их естественной среды добавляет важный элемент распознавания, который можно использовать для управления взаимодействием с окружающими объектами. Этот подход может быть использован для интеграции новых устройств с плотностями, намного превышающими те, которые возможны при использовании литографических методов. Несколько исследований ДНК показывают диапазон поведения электронного тока, который в настоящее время зависит от условий эксперимента. Например, было продемонстрировано, что ДНК может выступать в качестве изолятора, полупроводника, проводника и даже сверхпроводника - предлагая возможности для будущих биосовместимых устройств и цепей [4].
5 Наносенсоры для встроенного искусственного интеллекта
Будущая инфраструктура связи со встроенными интеллектуальными и автономными устройствами будет оснащена большим количеством надежных датчиков для обеспечения бесперебойной связи с окружающими и интеллектуальными сетями. В недавнем прошлом исследователи активно разрабатывали наноразмерные датчики, открывая новую эру повсеместных наносенсоров. Наносенсоры были реализованы на основе удивительного прогресса в синтезе наноматериалов с рационально предсказуемым размером, формой и свойствами поверхности, что привело к необычайной чувствительности .
При уменьшении до наноразмеров многие материалы приобретют новые свойства, которые могут быть желательны для различных сенсорных применений. Эти привлекательные характеристики могут быть следствием высокого отношения поверхности к объему на наноуровне, а также изменений оптических свойств (отражательной способности, поглощения и люминесценции), объемной или поверхностной диффузии, теплопроводности, теплоемкости, механической прочности и магнитных свойств. Многие из этих эффектов могут быть использованы для разработки новых чувствительных методов обнаружения. Примеры включают использование присущих сверхвысокой удельной площади поверхности материалов, структурированных на наноуровне, для повышения скорости реакции или общей реакционной способности с желаемым аналитом. Одна наносистема сможет идентифицировать множество аналитов в широком диапазоне фонов с большой чувствительностью. Ожидается, что в не столь отдаленном будущем наносенсоры станут частью нашей повседневной интеллектуальной среды, собирая и передавая огромное количество информации о нашем здоровье и состоянии и окружающей среде, принося множество преимуществ в нашу жизнь. Потенциальные приложения включают в себя системы безопасного вождения, интеллектуальные здания и домашнюю безопасность, интеллектуальные ткани или электронный текстиль, производственные системы, транспортировку, а также операции по спасению и восстановлению при чрезвычйных происшествиях. Действительно, предполагается, что внедрение ряда наносенсоров изменит наши способв коммуникации и взаимодействия с окружающей средой. Обилие недорогих вездесущих датчиков и их возможное сочленение с био- и информационными технологиями радикально изменят жизнь людей и связь с окружающей средой. Новые исследования в области наносенсоров по-прежнему являются одними из самых широких и динамичных областей науки и техники, объединяя многочисленных исследователей в области биологии, химии, физики, биотехнологии, медицины и многих областей нанотехнологий. Тем не менее, широкое применение наносенсоров может также привести к множеству проблем при обработке и анализе данных датчика и эффективной интерпретации информации.
Интеграция различных компонентов в сенсорные системы будет сложной технической задачей. Реальная проблема в наносенсорах сейчас состоит в том, чтобы создать интегрированные наноэлектронные и микроэлектронные схемы в форме универсальной платформы, которая позволит быстро развертывать по мере появления новых потребностей, новых идей и понимания для быстрой передачи и обработки колоссальных объемов данных. Практические методы для интеграции разнородных материалов и устройств на подложке также должны быть разработаны. Интегрированные наноразмерные полупроводниковые материалы с различными запрещенными зонами и электрическими и оптическими свойствами могут предложить максимальный диапазон возможностей наносенсоров. Реализация вездесущих наносенсоров с маломощными и автономными вычислительными сетями могла бы обеспечить огромное количество новых применений и возможностей беспроводных сенсорных сетей со сверхнизким энергопотреблением, которые ранее были недоступны. Хотя многие из значимых событий произошли совсем недавно, основные концептуальные вопросы в настоящее время широко обсуждаются и обоснованно разъясняются [4].
6 От IoT к IoNT
Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это новая стадия развития интернета, когда к нему подключено больше вещей, чем людей. Переход к ней случился в 2008-2009 годах, когда количество устройств в сети обогнало численность населения Земли.
IoT соединяет окружающие нас объекты в компьютерную сеть. Они обмениваются информацией между собой и работают без вмешательства человека и в режиме реального времени. По сути, это интернет, захватывающий реальный мир.
Термин «интернет вещей» родился в 1999 году. Сотрудник Procter & Gamble Кевин Эштон предложил оптимизировать логистику корпорации с помощью радиочастотных меток (radio-frequency identification, RFID). Для изучения этой концепции при Массачусетском технологическом институте создали Центр автоматической идентификации (Auto-ID Center).
Внедрение интернета вещей стало возможным за счет широкого распространения интернета, смартфонов, беспроводных сетей, удешевления электронных компонентов и обработки данных. На практике IoT-системы обычно состоят из сети умных устройств и облачной платформы, к которой они подключены. К ним примыкают системы хранения, обработки и защиты собранных датчиками данных.
IoT — не одна, а целый стек технологий. Это и создание датчиков, и множество протоколов их взаимодействия. Объекты могут общаться между собой через wi-fi, Bluetooth, LPWAN, BLE, Ethernet, RFID, ZigBee и другие виды беспроводной связи. Частным случаем интернета вещей является межмашинное взаимодействие (M2M). (Рис. 4)
Интернет нано-вещей не сильно отличается от IoT, за исключением того, что устройства, соединенные внутри IoNT, миниатюрны и достаточно малы, чтобы их можно было назвать наноразмерными , что составляет от 0,1 до 100 нанометров.
Большинство используемых в настоящее время технологий, таких как датчики в автомобилях и домах, которые сообщают об условиях окружающей среды, или акселерометры и гироскопы в смартфонах, которые помогают людям пользоваться услугами навигации или определения местоположения, - все это примеры очень маленьких устройств. Почти вся современная автоматизация зависит от наноразмерных устройств, которые могут взаимодействовать друг с другом, чтобы обеспечить более разумные технические возможности. Эти технические интеграции будут стимулировать инновации во всех мыслимых сферах жизни, от автомобильной промышленности до индустрии здравоохранения, а также обычных товаров для дома и повседневного использования.
Рис4. Typical Architecture and Common Components making up Internet of Nano Things (IoNT)
Интернет нанотехнологий электроники не только сложен с точки зрения дизайна и производства, но и чрезвычайно хорошо устроен для защиты устройств от нежелательных помех. Помехи особенно сложны в управлении из-за электромагнитных методов, которые позволяют этим устройствам связываться друг с другом по беспроводной связи.
Типы нанотехнологий, интегрируемых в систему IoT, очень специфичны для конкретного приложения. Например, умная фабрика будет использовать устройства IoNT для контроля температуры, влажности, газообразных паров, качества воды и, возможно, выбросов углекислого газа из выхлопных газов систем. В другом примере подключенные транспортные средства с аналогичными миниатюрными датчиками могут прогнозировать близость, условия окружающей среды и информацию о местоположении, чтобы помочь обеспечить безопасность и точность систем помощи транспортным средствам.
С другой стороны, в интеллектуальном городе, где используются взаимосвязанные наноустройства, интегрированные типы технологий могут отвечать за мониторинг концентрации токсичных газов или твердых частиц, при этом устройства устанавливаются в разных местах города для мониторинга уровня загрязнения для поддержания здоровья. и безопасность жителей в этом районе [5].
Заключение
Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что новейшие открытия и изобретения в наноэлектронике и нанотехнологиях вдохнут новую жизнь в такую область науки и техники, как сети связи, позволяя решать ранее неразрешимые задачи, выводя на новый уровень все технические характеристики приборов и устройств и открывая огромные перспективы для её стремительного развития. Кроме того, эти достижения в скором времени изменят до неузнаваемости жизнь всего человечества, выводя на новые беспрецедентные уровни такие её составляющие, как: безопасность, медицина, логистика и многое другое. Новейшие приборы на основе данных технологий помогут решить многие наши проблемы, как бытовые, так и глобальные.
Литература
1. https://studopedia.ru/12_210018_rol-vichislitelnoy-tehniki-v-zhizni-cheloveka.html – 2015, ЭВМ и Т-Коммуникации
2. https://www.nano.gov/you/nanotechnology-benefits – National Nanotechnology Initiative
3. https://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=2467 - нанотехнологии – перспективы для кабельной отрасли
4. https://ieeexplore.ieee.org/document/5473872 - 2010, Nanoscale materials and devices for future communication networks
5. https://internetofthingsagenda.techtarget.com/answer/What-is-the-internet-of-nano-things-and-what-are-its-uses - 2018, What is the internet of nano-things, and what are its uses? |
| Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: adansoni (14.12.2019)
| Автор: Жидков Д.Л.
|
| Просмотров: 500
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|