Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией.
Ральф МЕРКЛ, профессор Технического колледжа штата Джорджия, США

Наиболее заметные практические шаги нанотехнологии сделаны в области электроники.

Вследствие действия различных факторов (как геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров (повышением компактности) объектов значительно уменьшается и продолжительность протекания разнообразных процессов в конкретной системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. При дальнейшем значительном сокращении размеров в поведении электронов начинают преобладать свойства волны, а не частицы. Вступают в действие законы квантовой механики, на смену битам приходят квантовые биты ( qubit).

В настоящее время в серийно выпускаемых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 не, однако применение ряда наноструктур открывает потенциальные возможности сокращения времени на несколько порядков.

Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.

В обычных условиях на перестройку всей концепции создания процессоров и микросхем ушло бы лет 50. Однако у человечества нет такого запаса времени. Необходимость скорейшего перехода на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя, а создать что-то принципиально новое на имеющейся технологической базе практически невозможно.

Однако по данным социологических исследований, проведенных в 2005 году, лишь 13,9% населения мира имеют доступ к Интернету. Отсутствие возможности использовать информационные ресурсы и технологии большинством жителей Земли отрицательно сказывается на уровне образования, межкультурных коммуникациях и росте экономического благосостояния. Нанотехнологии позволят решить эту проблему за счет значительного снижения цены и повышения качества элементов памяти, мониторов, процессоров, элементов на солнечных батареях, встроенных информационных систем и т.д.

Известно, что все многослойные нанотрубки — полупроводники. В декабре 2005 года было опубликовано официальное сообщение Международной ассоциации производителей полупроводников ( International Technology Roadmap for Semiconductors) от имени Международного комитета производителей. В нем говорится о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. В ближайшие 10—15 лет может начаться массовый переход с кремния (основного материала в производстве полупроводниковых устройств) на углеродные нанотрубки. Так, фирма Fujitsuyyae предложила практически пригодные радиаторы для охлаждения мощных процессоров, где использованы достижения нанотехнологий. Известный производитель жестких магнитных дисков, компания Seagate, запатентовала технологию повышения плотности записи при помощи нанотрубок в качестве смазочного материала. Дело в том, что плотность записи можно повысить путем сокращения зазора между считывающе-записывающими головками и самой магнитной поверхностью-носителем. Seagate предлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитной поверхностью, например диском, разделив их тончайшим слоем смазочного материала на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать часть пластины, где работает считывающая головка, что позволит повысить точность ориентации магнитных частиц. Предполагается, что таким образом можно будет создавать достаточно компактные и недорогие накопители информации емкостью несколько тысяч терабайт.

Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы — исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические «магнитные элементы» — железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографическои записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.

Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологий. Эту разновидность компания назвала «памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках не требующую постоянного питания» ( NRAM - Nanotube- based/ Nonvolatile RAM).

Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.

В мире с каждым днем 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 месяца 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 как Pentium 4 будет примерно аналогично производительности современного компьютера по сравнению с первыми ЭВМ на электронных лампах.

В настоящее время рассматриваются несколько потенциальных технологий создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография с возможностью преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная (наноимпринтинг) литография.

В августе 2006 года в Колледж научных наноисследова-ний и разработок ( College of Nanoscale Science and Engineering, CNSE) при Университете Олбани (США) голландской компанией ASML, которая работает совместно с Nikon Corp., впервые в мире были поставлены установки ЭУФЛ — Alpha Demo Tool ( ADT) стоимостью 65 млн долларов. Следует отметить, что данное оборудование предназначено не для производства, а только для исследовательских целей. Оно интегрировано в нанотехнологический комплекс ( Albany NanoTech complex) международного промышленно-университетского консорциума ( International Venture for Nanolithography ( Invent)). Членами глобального консорциума Invent являются такие лидеры мирового рынка электронной техники, как IBM, AMD, Qzmondan Micron Technology. При этом в выполнении исследовательских программ ЭУФЛ в CNSE намерены также принять участие японские компании Sony и Toshiba.

Следующая демонстрационная ЭУФЛ-установка была предоставлена ASML бельгийской исследовательской организации IMEC, которая заключила соглашение о совместном проведении экспериментов в области ЭУФЛ с CNSE. Вначале исследования будут проводиться в США на Олбанском нано-технологическом комплексе CNSE, а впоследствии обоими исследовательскими центрами.

Общая цель участников проекта — показать достоинства и практическую возможность реализации ЭУФЛ для формирования 32-нм (и ниже) рисунка наноэлектронных приборов.

Компания Intel Corp., один из лидеров в разработке электронного оборудования 32-нм технологии и потенциальный потребитель ЭУФЛ-установок, продолжила исследования различных методов совершенствования существующей лазерной 193-нм литографии для использования ее в более низком топологическом размере. Корпорация Intel, не получив вовремя необходимые материалы и оборудования для ЭУФЛ, в настоящее время рассматривает данный метод для возможной реализации 22-нм технологии ориентировочно только в 2011 году.

В апреле 2007 года в США поступили в продажу компьютеры с емкостью жесткого диска 1 Тб (1012байт). На нем можно разместить информацию, равнозначную 50 млрд печатных страниц (для производства такого количества бумаги необходимо было бы переработать около 50 тыс. деревьев), 380 ч (около 16 сут.) видеоматериала в формате DVD, миллион фотографий в высоком разрешении или около 250 тыс. музыкальных файлов (от полутора до двух лет беспрерывного прослушивания).

Вероятно, наиболее быстрые и производительные компьютеры будущего будут использовать именно наноэлек-тронную технологию, возможно, спинотронику или фотони-ку. Однако не исключено, что самые малые компьютеры создадут на совершенно другой элементной базе. По К. Э. Дрекс-леру, такой базой может стать наномеханика. Ученым предложены механические конструкции для основных компонентов нанокомпьютера — ячеек памяти и логических байтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга. При ширине стержня в несколько атомных размеров (например, 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 Дрекс-лера 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.

Ник Востром ( Nick Bostrom), директор института при факультете философии, логики и научной методологии Лондонской школы экономики, в своей статье «Сколько осталось до суперинтеллекта»1 пишет, что человеческий мозг содержит примерно 100 млрд нейронов. При этом у каждого нейрона около 5 тыс. синапсов. Сигналы проходят через эти синапсы с частотой около 100 Гц, а любой сигнал ориентировочно содержит 5 бит.

Реальная величина не должна быть значительно выше этого значения, хотя может оказаться и много ниже. Существует мнение, что мозг обладает высокой (резервной) избыточностью, но при этом часто требуется синхронное возбуждение больших групп нейронов, чтобы сигнал не пропал в фоновых помехах. «Альтернативный способ вычисления общей производительности — рассмотреть некоторую часть коры головного мозга, выполняющую функции, которые мы умеем воспроизводить на цифровых компьютерах. Мы вычисляем среднюю производительность одного нейрона в области коры мозга, эквивалентную вычислениям с помощью компьютера, и умножаем это значение на количество нейронов в мозгу», — пишет Н. Востром.

Американский ученый Г. Моравек, используя данные о структуре сетчатки глаза человека, еще в 1997 году произвел необходимые вычисления и сравнил их с известными требованиями к компьютерным ресурсам в задаче распознавания образов в машинном зрении. Полученное значение для всего человеческого мозга оказалось равным 1014 операций, что на три порядка меньше, чем верхняя граница, вычисленная в предположении, что избыточности нет.

По мнению Бострома, трудно найти основание, заставляющее предположить, что избыточность в сетчатке больше, чем в коре. Если и есть отличие в избыточности, то скорее, наоборот, в сетчатке она меньше: распознавание образов — задача более низкого уровня по сравнению с высшими когнитивными процессами, а значит, более оптимизирована (эволюцией и индивидуальным обучением).

При необходимости,требуемая вычислительная мощность в 100 терафлопс для имитации человеческого мозга может быть достигнута уже в 2008 году, если принять время удвоения по закону Муру равным 12 или 18 месяцам. Однако может пройти еще до десятка лет, прежде чем обычные ученые, исследующие возможности искусственного интеллекта, смогут получить возможность экспериментировать с машинами такой производительности.

В своей книге «Дети разума» Г. Моравек, рассуждая о влиянии на развитие цивилизации «закона Мура», предсказывает будущее робототехники. Он утверждает, что в 2010 году появятся модели роботов, чьи интеллектуальные возможности будут идентичны мозгу ящерицы. Они будут использоваться для уборки помещений без вмешательства людей и некоторых других целей. Так вот, этот порог уже достигнут, так как уже сейчас за рубежом серийно выпускаются роботы-пылесосы.

Моравек также утверждает, что еще через 20 лет будут созданы модели с умственными способностями обезьяны. Такие роботы смогут без указаний человека определять простейшие технические и бытовые проблемы и задачи и самостоятельно их решать. Достижение, позволившее ученому сделать такое заявление, — появление дронов с инновационными нововведениями.

Но самое главное, по мнению Моравека, что в 2040 году человек сможет закачивать (подключать) свой мозг в компьютер, а после 2040 года будут изобретены роботы, чьи интеллектуальные возможности достигнут уровня умственных способностей людей, а затем, постепенно совершенствуясь, превзойдут их.

1 «How Long Before Superintelligence?», Int. Jour, of Future Studies, 1998, vol. 2.