ПЕРСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМАХ ЗАПИСИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ.

В самом конце ХХ века достижения науки и высоких технологий убедительно продемонстрировали, какие громадные возможности сулит использование специфических явлений и свойств вещества в нанометровом диапазоне размеров. Упорядочение и самоупорядочение атомов и молекул на нанометровых расстояниях, как это делает живая природа в биологических объектах, в промышленных изделиях может привести к поразительным результатам.

Слова с приставкой «нано-»: наномир, нанонаука, нанотехнология, нанотехника, наноматериалы и т.п. стремительно вошли в лексикон не только специалистов различного профиля, но и журналистов, администраторов, политиков. Очевидно это обусловлено взрывообразным развитием «нано-» сферы деятельности и громадным значением ее для настоящего и будущего. В промышленно развитых странах Запада нанобум начался в самом конце прошлого столетия. По всем признакам мир вступает в эпоху тотальной нанореволюции, способной затмить своими результатами последствия компьютерной революции конца 20 века.

Ключевые материалы и технологии всегда играли большую роль в истории цивилизации, определяя не только уровень развития производительных сил, но и во многом – социальный прогресс в обществе. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменная и бронзовая эпоха, век пара и электричества, атомной энергии и информационных технологий.

Большинство экспертов в области стратегического планирования, научно–технической политики, инвестирования уверены, что в ближайшее десятилетие нас ждет нанореволюция во всех областях науки, производства, национальной безопасности, медицины, быта, отдыха и развлечений. Причем ее последствия будут обширнее и глубже, чем компьютерной революции последней трети 20 века. Под этим понимают широкомасштабное и системное вторжение наноструктурированных материалов, изделий и способов их получения буквально во все сферы жизни. Поэтому многие развитые и развивающиеся страны имеют в качестве приоритетных программы развития нанотехнологий.

Английский термин Nanotechnology был предложен японским профессором Норио Танигучи в средине 70-х годов прошлого века и использован в докладе «Об основных принципах нанотехнологии» (On the Basic Concept of Nanotechnology) на международной конференции в 1974 г., т.е. задолго до начала масштабных работ в этой области. По своему смыслу он заметно шире буквального русского перевода «нанотехнология», поскольку подразумевает большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их материализованные результаты – нанопродукцию.

Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1нм = 10^-9м = 10^-6мм = 10^-3мкм). Сама десятичная приставка «нано - » происходит от греческого слова nαnοσ – «карлик» и означает одну миллиардную часть чего–либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико–механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических. Главные причины специфичного поведения и особых свойств нанообъектов мы рассмотрим позднее.

Нанообъекты и наноструктуры могут быть синтезированы искусственно или найдены в готовом виде и отобраны из природных объектов (главным образом, биологических). Отнесение того или иного объекта к наномасштабным весьма условно. Нанообласти в структурной иерархии можно выделить практически в любом объемном, пленочном или волокнистом объекте (примесные кластеры, границы зерен, ядра дислокаций и т.п. в кристаллах; области упорядочения молекул в полимерах; глобулярные белки, мембраны и мицеллы в биоматериалах и т.д.). В качестве разумного критерия принадлежности объекта к наноструктурированным очевидно можно принять высокую степень влияния на обсуждаемые свойства именно наноразмерных элементов его реальной структуры. При этом вполне может оказаться, что один и тот же материал для некоторых свойств и приложений будет демонстрировать явную «нано»- специфику, а для других – казаться однородным.

Таким образом, очертить строго границы наномира не так просто. В литературе имеются десятки (если не сотни) определений предмета ведения нанонауки и нанотехники. Это говорит о том, что они переживают период становления и бурного развития. Так, на вопрос «Как бы Вы определили, что такое нанотехнология?» около 100 экспертов дали следующие ответы:

· Технология, которая имеет дело с элементами не больше 100 нм – 45%

· Технология, которая имеет дело с субмикронными элементами - 17%

· Технология, которая использует новые законы физики - 5%

· Технология, которая оперирует материей на уровне отдельных атомов и молекул - 23%

· Другие ответы - 10%

Обобщая мнение большинства специалистов, нанонауку можно определить как совокупность знаний о структуре и особенностях поведения вещества в нанометровом масштабе размеров, а нанотехнологию и нанотехнику – как искусство создавать и использовать объекты и структуры с характерными размерами в диапазоне от атомарных до ~100 нм (хотя бы в одном из трех измерений).

Такое определение фактически утверждает, что «нановладения» занимают промежуточную область между миром отдельных атомов, управляемым квантовой механикой, и макромиром, хорошо описываемым в рамках различных континуальных теорий (упругости, гидродинамики, электродинамики и т.п.).

Место нанообъектов и наноструктур в шкале характерных размеров и времен оперирования показано на рис 1. Из общих соображений и простых оценок вытекает, что с уменьшением R механическая и электрическая инерционность любого устройства падает, а его быстродействие – растет, что является одним из многочисленных достоинств нанотехники.

Рис. 1. Место наноструктурированных объектов в пространственно-временной плоскости характерных параметров.

Основные направления развития нанонауки и нанотехники показаны на рис. 2. Их фундаментальным базисом является физика, химия и молекулярная биология. Большую роль играет компьютерное моделирование наноструктур на основе квантовомеханических закономерностей поведения объектов, состоящих из счетного числа атомов или молекул.

Классификация нанопродукции, учитывающая ее иерархическую сложность, представлена на рис. 3. Самый обширный класс – наноматериалы и отдельные нанообъекты, следующий – наноизделия, состоящие из многих элементов или требующие специальной обработки материалов. Зачастую нанотехнологии позволяют создавать готовые изделия, содержащие миллионы элементов, минуя стадию производства материалов, отдельных деталей, их последующей обработки и сборки (пунктирная стрелка). Особенно большое распространение такие технологии получили в микроэлектронике.

Рис. 2. Фундаментальные основы области применения нанонауки и нанотехнологии.

Более сложными в устройстве и производстве являются гибридные системы, где сочетаются, например, микро-/наномеханические узлы и

Рис. 3. Структура нанотехники с точки зрения ее иерархической сложности.

электроника (микро-/наноэлектромеханические системы – МЭМС/НЭМС); микрогидравлика, микромеханика и электроника (микрохимические лаборатории на одном чипе); оптика, микромеханика и электроника; биоэлектроника и биомеханика и т.п. Однако и для таких случаев разрабатываются нанотехнологии, позволяющие получать готовый продукт без промежуточных переходов (показано пунктирной стрелкой). Наконец, на вершине структурной пирамиды стоят интеллектуальные роботы, многокомпонентные системы, имеющие в своем составе сенсорные узлы, процессорную часть, исполнительные органы, движители и т.п.

С технико–экономической точки зрения основные побудительные мотивы развития нанотехнологий состоят в том, что с их помощью возможно:

· радикально изменять свойства традиционных материалов, не меняя их химического состава;

· создавать принципиально новые классы материалов;

· использовать квантовые эффекты;

· уменьшать размеры изделий вплоть до атомарных с сохранением заданных функций или придания совершенно новых (одноэлектроника, спинтроника);

· эффективно использовать синтетические или существующие в природе наноструктуры (главным образом, биологические);

· ставить и решать задачи, совершенно невозможные в рамках традиционных технологий;

· снижать материалоемкость, энергоемкость, трудоемкость и стоимость продукции, одновременно резко уменьшая загрязнение окружающей среды отходами производства.

Современную историю «нано»- парадигмы принято вести от знаменитого доклада-лекции Нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места: приглашение шагнуть в новую область физики», сделанном в 1959 г. на заседании Американского физического общества. В ней обращалось внимание на специфику нанообъектов и наноструктур; на то, что законы физики принципиально не препятствуют получению изделий методом поатомной (или помолекулярной) сборки, а скорее даже провоцируют и помогают этому; обсуждались возможные направления развития и практические приложения «нанонауки».

Однако до реальных технологий такого рода в 60-е годы прошлого века было еще очень далеко. Вплоть до середины 80-х годов нанонаука развивалась очагово и спонтанно, не осознавая себя масштабной междисциплинарной сферой деятельности, но периодически совершая важные открытия. Многие дисциплины и отрасли имели небольшой участок, в котором предметом изучения были нанообъекты и наноструктуры: в физике и неорганической химии – нанокластеры и наночастицы, в органической химии - полимеры искусственного и естественного происхождения и их надмолекулярные наноструктуры, в биохимии – белки, ферменты, клеточные мембраны, мицеллы и везикулы, в молекулярной биологии – ДНК и т.д.

В материаловедении большой резонанс вызвали работы по разработке достаточно простого и эффективног способа создания наноструктурированных материалов путем компактирования предварительно полученных нанопорошков.

В 1986 г. сотрудник Массачусетского технологического института (Бостон, США) Э.Дрекслер выпустил книгу «Машины созидания - пришествие эры нанотехнологии», в которой развил некоторые идеи Р.Фейнмана. Дрекслер мысленно конструировал аналоги макроскопических устройств, используя в качестве «строительного материала» наноэлементы, включая отдельные атомы и молекулы. К середине девяностых годов отдельные наноостровки стали разрастаться и смыкаться, так что стало очевидным – мир стоит на пороге новой научно-технической революции, которая меняет принципы и парадигмы всей производственной деятельности.

Современное производство техногенной продукции очень неэффективно по сравнению с природными процессами как с точки зрения доли полезно используемой массы первичного сырья, так и затрат энергии. В конечный потребительский продукт превращается в среднем около 1,5% массы добываемого сырья, а доля полезно используемой энергии (если принимать во внимание минимально теоретически необходимую энергию для химических, структурных превращений, формоизменения и реально затрачиваемую на добычу, переработку сырья, металлургическую, химическую, машинную обработку) и того меньше. Природа при построении куда более сложных биологических систем действует неизмеримо более экономно. Она широко использует безотходную сборку и самосборку очень сложных систем из простых молекул, селективный катализ определенных процессов при низких температурах, замыкает «производственные» потоки и цепи, в которых отходы одного цикла становятся исходным сырьем для другого и т.д.

В последнее десятилетие появилась возможность реально идти по этому пути и создавать промышленные нанотехнологии. В пределе это выливается в новый подход ко всему, что делает современная промышленность: вместо традиционной обработки «сверху - вниз» (т.е. получения деталей или готовых изделий из более крупных заготовок путем отделения ненужных частей) сборка или самосборка (self – assembly) «снизу – вверх», т.е. безотходный молекулярный дизайн изделий из элементарных «кирпичиков» природы – атомов и молекул. Разумеется, это всего лишь яркие образы, обозначающие наиболее характерные подходы к массовым технологиям. Реально и в каменном веке человек собирал топор из нескольких деталей, а не вытесывал его из одного куска материала; и в эпоху нанотехнологий будут производиться материалы, полуфабрикаты и какая-то часть готовых изделий из более крупных заготовок, чем конечный продукт. Т.е. новая технологическая парадигма «снизу – вверх» будет конкурировать, дополнять и стимулировать развитие старой - «сверху – вниз».

Структура самих атомов управляется числом нуклонов в ядре и законами квантовой механики. Она не может быть изменена произвольно, по нашему желанию. То есть атомы - это, минимально возможные порции вещества, которые можно использовать в целях создания долговременно существующих конструкций путем сборки изделий из них как из естественных строительных модулей. Причем, эти модули, в отличие от партии деталей, изготовленных на самых точных станках, абсолютно идентичны, т.е. не имеют никаких индивидуальных особенностей (разумеется, имеются в виду атомы одного сорта). То же самое можно отнести и к простейшим молекулам. Вместе с тем свойства малоатомных кластеров (или небольших ассоциатов молекул) сильно зависят от числа составляющих их структурных единиц N. Варьируя контролируемым образом N можно обеспечить заданные характеристики изделия простым прибавлением или отбором одинаковых частиц. Именно к этому и стремится в пределе нанотехнология.

Есть еще одно важное соображение в пользу нанопродуктов и нанотехнологий. На заре цивилизации люди создавали орудия труда, средства транспорта, предметы быта с характерными размерами, сопоставимыми со своими собственными (R ~ 1 м). Другие и не были нужны тогда. Однако многие задачи сегодня не требуют таких больших устройств (например, определение температуры, давления, освещенности, химического состава вещества, сбор и хранение информации, различные расчеты, разведка и спецоперации, микрохирургия, исследования космоса и т.п.). Более того, чем меньше размеры подобных устройств, тем они более функциональны и экономичны. Впервые это было осознано при создании электроники и вычислительной техники во второй половине 20 века. Началась бурная миниатюризация отдельных компонентов, микросхем и целых процессорных систем. Вот тогда и появилась реальная почва для идей предельно уменьшать размеры всего, чем человек оперирует для достижения своих целей, вплоть до атомно-молекулярных. Естественными строительными модулями в этих случаях могут выступать отдельные атомы и молекулы, а наиболее эффективными технологическими процессами – самосборка и самоорганизация отдельных элементов. Тем более что перед глазами всегда имеется весьма убедительный пример – очень сложный функционально и структурно организованный биологический мир, который природа конструирует именно таким способом, собирая каждый организм из отдельных атомов и молекул.

Успехи, достигнутые на путях микроминиатюризации электроники, весьма впечатляющи: на протяжении почти полувека выполняется закон Мура – каждые 1,5 – 2 года количество отдельных элементов (в частности, транзисторов) на чипе удваивается, а характерный размер структуры R соответственно падает (рис. 4). В результате в современной микросхеме число элементов сопоставимо с числом жителей Земли (~ 6´10⁹ человек), только размещены они не на поверхности земного шара, а на площади ~ 1см².

Рис. 4. Динамика развития микроэлектроники (закон Мура).

С еще большей скоростью растет плотность магнитной записи на жестких дисках (на 60-100% в год). Весьма существенно, что одновременно с уменьшением размеров падает и стоимость единичного элемента структуры. В результате и по этому показателю продукты высоких технологий вошли в «нано»-ценовую область. До принципиально достижимых физических пределов пока еще очень далеко, и имеется громадный резерв для дальнейшего уменьшения R (от освоенных в настоящее время серийным производством R ~ 100 нм – вплоть до атомных, ~ 0,1 нм) и снижения себестоимости различных продуктов с одновременным ростом их функциональных возможностей. В этой связи интересно вспомнить высказывание Б. Гейтса – основателя компании Microsoft и знаковой фигуры в мире информационных технологий, которое он сделал в 1981 г.: «да 640 кБ оперативной памяти хватит кому угодно». Уже через несколько лет оно стало курьезным, поскольку достигнутые параметры DRAM на порядок превысили упомянутую цифру и продолжали расти теми же гигантскими темпами. Это говорит о том, что в условиях бурного развития высоких технологий даже выдающимся специалистам подчас трудно спрогнозировать, во что это выльется в ближайшем будущем.

Необходимо различать размеры и размерность объектов наномира. Вполне достаточно иметь малое значение R только в одном измерении, чтобы возникла «нано - » специфика поведения вещества. К таким объектам относятся тонкие приповерхностные слои однородного материала, пленки и покрытия различного назначения, многослойные гетероструктуры. Их квазидвумерность дает возможность изменить свойства электронного газа, характеристики электронных переходов и т.д., что создает основу для разработки принципиально новой элементной базы наноэлектроники и оптоэлектроники следующего поколения. Они часто используются в качестве антифрикционных, износостойких, антикоррозионных покрытий, чувствительных элементов сенсорики и др. Большую роль приповерхностные структуры и состояния играют в нанопористых и нанокомпозитных материалах. Первые используются в молекулярных фильтрах и ситах, адсорбентах, аккумуляторах газообразного топлива, катализаторах, вторые – в качестве высокопрочных конструкционных материалов, сред для высокоплотной записи и хранения информации, лазерных и светочувствительных элементов.

Если объект имеет наноразмеры в двух измерениях, а в третьем – макроскопический, то его классифицируют как квазиодномерный. К таковым относятся нанопроволоки, напыленные на диэлектрическую подложку, нановолокна, одностенные и многостенные нанотрубки, органические макромолекулы, двойные спирали ДНК и др.

Наконец, если все три размера частицы лежат в нанометровом диапазоне, она считается нуль–мерной (в макроскопическом смысле). С точки зрения электронных свойств она является «квантовой точкой», т.е. объектом, в котором длина волны де Бройля больше всех его размеров. Квантовые точки используют в лазеростроении, оптоэлектронике, фотонике, сенсорике и других приложениях.

Итак, зависимость свойств материалов от R можно разбить на две области: малочувствительную к размерам образца – «макроскопическую» и высокочувствительную, в которой изменения характеристик вещества могут быть очень сильными и носить осциллирующий характер, иметь экстремум или насыщение на уровне, значительно отличающемся от макроскопического. Между ними находится промежуточная, мезоскопическая область структур и свойств. В области R ≤ 10 нм размерные эффекты становятся такими большими, что специалисты, склонные к метафоричности суждений, говорят о необходимости введения «третьей координаты» в периодической таблице Менделеева, имея в виду сильную зависимость физико – химических характеристик малоатомного кластера от числа одних и тех же атомов в нем. Важнейшими причинами этих особенностей являются следующие: проявление квантовых закономерностей и атомно–молекулярной дискретности в наноразмерных частицах, состоящих из счетного количества атомов; высокая доля приповерхностных атомов, которые обладают отличающимися физико – химическими свойствами от объемных, по отношению к полному их числу в частице или зерне; измененный электронный и фононный спектр в наночастицах и малоатомных кластерах; большая роль диффузии, атомных перестроек и самоорганизации атомов в наноструктурах и на поверхности твердых тел; специфические условия для зарождения новых фаз и фазовых переходов, образования дислокационных петель, двойников и т.п.; радикальные отличия свойств низкоразмерных (нульмерных, одномерных, двумерных, фрактальных) структур от объемных трехмерных и др.

Нанопродукция имеет множество очевидных и скрытых достоинств. К первым, помимо упомянутых выше, можно отнести крайне низкую материалоемкость и энергоемкость производства в расчете на одно готовое изделие, снижение сырьевой зависимости и транспортных расходов, экологическую чистоту нанотехнологий. С уменьшением размеров понижается механическая и электрическая инерционность устройств, что обеспечивает достижение рекордно высокого быстродействия электронных и электромеханических компонентов и приборов. Интегрированные наносистемы (например, микро- и нанороботы) можно будет вводить в организм человека через естественные каналы, кровеносную и лимфатическую систему и доставлять практически в любую точку с диагностическими, терапевтическими и хирургическими целями; с минимальными затратами их можно запускать в космос, использовать в беспилотной авиации, разведывательных и оборонных задачах.

Пришествие эры нанотехнологии как всеобщего и системного подхода к решению самых трудных технических задач в громадной степени было стимулировано беспрецедентными темпами развития микроэлектроники. Она и остается одной из важнейших и крупнейших сфер приложения нанопарадигмы. Поэтому большинство достижений в нанонауке в первую очередь оцениваются с точки зрения перспективности их использования в компьютерной технике, средствах связи, электронике промышленного и бытового назначения, в том числе и систем записи и хранения информации.

После изобретения в 1959 г. планарной технологии создания на поверхности очень чистого кремния интегральных схем и ее промышленного освоения в последующие годы темпы совершенствования элементной базы твердотельной электроники были исключительно высокими: динамика улучшения всех существенных параметров БИС укладывается на экспоненту (закон Мура). Так, количество элементов в микропроцессорах и блоках динамической памяти (DRAM) на протяжении почти полувека удваивается каждые полтора года. Этому соответствует неуклонное уменьшение характерных размеров отдельных элементов R, увеличение быстродействия, снижение энергопотребления и стоимости.

Очень коротко историю этого выдающегося достижения человеческой мысли можно представить следующим образом (рис. 5). В 1947 г. был изобретен первый полупроводниковый биполярный транзистор (Дж. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли, Нобелевская премия 1956 г.). В 1959 г. американскими инженерами Дж. Килби (Texas Instruments) и Р.Нойсом (Fairchild Semiconductor) была предложена концепция создания интегральных схем (ИС). В начале 60-х годов на поверхности монокристаллического кремния были сформированы первые приборы нового типа – металл-оксидно-полупроводниковые (МОП) полевые транзисторы. В этих структурах роль диэлектрического слоя между пленкой металла и массивной полупроводниковой подложкой играет оксид кремния, SiO₂, получаемый контролируемым окислением полированной поверхности Si. В отечественной терминологии иногда употребляют также термин металл – диэлектрик – полупроводниковая структура (МДП), поскольку в качестве диэлектрика может быть использован не только SiO₂, но и другие материалы: Al₂O₃, Si₃N₄ и т.п. В конце 60-х годов была разработана технология изготовления р-МОП и несколько позже – n-МОП-транзисторов. Они использовали соответственно дырочный и электронный тип проводимости в канале. После их объединения образовался прибор, называемый комплиментарным МОП–транзистором (CMOS), который по настоящее время является основным в схемотехнике БИС. По сравнению с двумя предыдущими вариантами он обладает тем преимуществом, что почти не потребляет тока в режиме ожидания (за исключением очень маленького тока утечки).

Рис. 5. Основные этапы и хронология развития твердотельной электроники. Кружочками обозначено время изобретения, а прямоугольниками – время промышленного освоения и производства.

Таким образом, на протяжении почти полувека электроника стремительно развивалась под лозунгом: компактнее, быстрее, лучше, дешевле (имеются в виду характерные размеры отдельных элементов, быстродействие, соотношение цена/качество). Для того чтобы поддерживать эти беспрецедентные в истории цивилизации темпы роста ключевых параметров выпускаемой продукции и в дальнейшем, необходимо к 2012- 2015 г. уменьшить технологический шаг при производстве БИС до ~ 10 нм (против ~ 100 нм, достигнутых в настоящее время). Некоторого прогресса можно ожидать от совершенствования существующих подходов. Однако, по общему мнению специалистов, имеющиеся в промышленности технологии не смогут обеспечить такой рывок даже после существенного улучшения, поскольку в значительной мере они уже исчерпали свои возможности эволюционного совершенствования. Освоение 10-нанометрового диапазона потребует создания принципиально новых физических основ и технологий производства элементной базы, которые в общих чертах просматриваются уже сейчас. Интервал от 1 до 10 нм – пока поле деятельности для фундаментальных исследований, которые только нащупывают возможные пути продвижения массовых технологий в эту область.

Хотя нано-/микроэлектроника не есть абсолютный синоним компьютерно–информационной техники, с некоторыми небольшими оговорками можно согласиться с почти полной эквивалентностью этих понятий в настоящее время. Такое соглашение дает основание схематически представить основные функции и соответствующие устройства современной микроэлектроники через призму потребностей компьютерной техники так, как это изображено на рис. 6.

Рис. 6. Основные функции и узлы компьютерно – ориентированной электроники.

Следуя ему, можно выделить 5 основных функций информационных систем:

· Обработка информации. Одна из центральных задач любого компьютера или информационной системы – процессинг, т.е. быстрая обработка поступающей информации и выдача решений и управляющих команд. Часто ее жизненно необходимо (или, по меньшей мере, крайне желательно) проводить в режиме on line (управление летательными и космическими аппаратами, атомными электростанциями, сложными энергетическими и технологическими установками и т.п.). Для этого в любом компьютере имеется микропроцессор (или группа связанных микропроцессоров) и средства оперативной памяти, с которыми процессор во время работы периодически обменивается информацией. В настоящее время – это наиболее сложные и дорогостоящие узлы информационных систем (компьютеров), в значительной мере определяющих их возможности.

· Хранение информации. Имеется в виду долговременное энергонезависимое сохранение больших объемов информации, к которой время от времени может обращаться информационная система. Соответствующие устройства не обязаны быть такими же быстродействующими, как блоки оперативной памяти (обычное время доступа – миллисекунды), но они должны обладать большой емкостью и надежностью для безусловного сохранения информации в течение, по крайней пределе, нескольких лет без энергопотребления и обновляющей перезаписи. Вместе с тем они должны позволять записывать новую информацию и удалять ненужную.

· Передача информации. Уже сейчас бόльшая часть компьютеров, телефонов, телевизоров, технологической электроники работает в сетях, т.е. они должны быть соединены друг с другом линиями связи. Существуют и внутренние связи внутри компьютера, локального информационного или технологического модуля, каждой отдельной микросхемы. Очевидно, в будущем степень интегрированности на всех уровнях иерархии электронных систем (в микросхеме, компьютере, локальных и глобальных сетях) будет только нарастать и определять функциональность, надежность, себестоимость процесса и др. характеристики. В принципе, возможна как гальваническая связь посредством проводников, так и бесконтактная с помощью электромагнитных волн СВЧ или оптического диапазона.

· Преобразование информации – получение ее из внешней среды и трансформация в электрический сигнал. Физически это осуществляется различными сенсорами, датчиками, микрофонами, видеокамерами и др. Другая сторона этой функции – обратное преобразование закодированной информации в звуковые и зрительные образы, команды, исполнительные действия (механическое перемещение, силовое, тепловое или оптическое воздействие, технологическая обработка и т.п.). Здесь нарушается однородность системы и приходится переходить от одних физических процессов (механических, акустических, оптических, тепловых, химических и т.д.) к другим – электрическим, и наоборот – преобразовывать электрические сигналы в действия и образы с помощью актуаторов, двигателей, инструментов, дисплеев, индикаторов, громкоговорителей и др. Поскольку все современные вычислительные машины работают с дискретной (оцифрованной) информацией, а сенсоры и актуаторы – с аналоговой, для их взаимодействия необходимы аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, которые можно интегрировать в одном корпусе с соответствующим прибором или смонтировать на единой плате сбора и первичной обработки данных (Data Acquisition System – DAS). Не взирая на буквальный перевод, современные DAS способны не только собирать и оцифровывать первичные данные с большого числа датчиков (типично- с 32 или 64), но и выдавать команды и управляющие сигналы, которые формирует компьютер, в дискретной или аналоговой форме.

· Защита информации. Наконец, последняя (но не по значимости в ответственных случаях) функция – защита информации от несанкционированного доступа, использования, искажения, стирания и т.п. Она должна осуществляться как на физическом уровне, так и на программном, и организационно – правовом.

С точки зрения новизны и радикальности подходов (а следовательно, и необходимых для реализации материально–экономических ресурсов и затрат времени) можно обозначить три основных направления:

· развитие наноэлектроники путем эволюционного совершенствования существующих «кремниевых» планарных технологий;

· более глубокое модифицирование планарной технологии и распространение ее на другие материалы и ситуации;

· создание принципиально новой электроники следующих поколений на основе «некремниевых» устройств и физических принципов.

Эти революционные идеи предполагают использование квантовых сверхпроводящих компонентов, нанотрубок, фуллеренов и их производных, оптотроники, биоэлектроники, квантового распределенного компьютинга, одноэлектроники, спинтроники и др.

На каждом направлении развития наноэлектроники существует несколько групп предложений различной степени новизны и трудности осуществления. В первую очередь целесообразно представить себе, каковы фундаментальные пределы миниатюризации и чем они обусловлены. Можно выделить три группы принципиальных причин, накладывающих ограничения на дальнейшее уменьшение размеров отдельных элементов в БИС:

· термодинамические;

· электродинамические;

· квантовомеханические.

Первая из них обусловлена конечной температурой объектов, хаотическим тепловым движением атомов и электронов, нагревом вследствие протекания тока (джоулевым тепловыделением и условиями теплоотвода), действием первого и второго начала термодинамики (в частности, стремлением к росту энтропии и потере информации в системе), особенностями обратимых и необратимых процессов в нанообъектах и др.

Электродинамические ограничения вызваны инерционностью емкостей и индуктивностей в схеме, что препятствует быстрому изменению напряжений и токов при переходе от одного состояния к другому (например, при работе логических ключей в микропроцессоре или ячеек динамической памяти). Конечная скорость распространения электромагнитных волн (особенно в присутствии проводников, ферромагнетиков, ферроэлектриков), движения носителей заряда, перемагничивания ферромагнетиков или переполяризации диэлектриков накладывает дополнительные ограничения на быстродействие.

Третья группа причин проявляется при уменьшении характерных размеров объекта R до атомарных масштабов. При этом начинает становиться заметной атомная и электронная дискретность в явлениях переноса, взаимодействия частиц и т.п. Приближение R к длине волны де Бройля для электронов приводит к деформации и дискретизации электронных спектров, изменению электрических, магнитных и оптических свойств вещества. Снижение массы (а следовательно импульса p и энергии Е частицы) приводит к росту неопределенности ее положения (Dх, Dу, Dz) и длительности существования данного состояния (Dt) в соответствии с принципом неопределнности Гейзенберга: Dp_х Dх ≥ и DЕ Dt ≥ . Вместе с тем трансформация непрерывных спектров, распределений, состояний, характерных для объемных тел, в дискретные по мере уменьшения R отчасти даже помогает разработке новых принципов в цифровой технике.

Как видно из всего спектра задач и потенциальных возможностей нанотехнологии, применение ее достижений в сфере информационных технологий на интересующем нас направлении систем и средств записи/хранения информации может быть осуществлено в двух направлениях:

· совершенствование традиционных методов записи/хранения информации вплоть до квантовых границ применимости основных законов, на которых эти системы основаны;

· разработка принципиально новых фундаментальных принципов и технологических решений устройств обработки и накопления информации.