Электронно-лучевая литография. Она может быть реализована двумя способами: проекционным, с помощью расфокусированного пучка, облучающего всю подложку сразу, и точечным, посредством хорошо сфокусированного пучка. В первом случае необходима маска–шаблон, как и в проекционной оптической литографии, а во втором – нет. Достигнутое к настоящему времени разрешение составляет при этом ~ 50 нм и 20 нм соответственно. Однако, несмотря на большее разрешение, безмасочная литография обладает крупным недостатком – низкой производительностью, поскольку объект обрабатывается последовательно, от точки к точке. Из-за этого она может применяться лишь в производстве высокоточных масок, используемых затем многократно. Два эффекта препятствуют дальнейшему увеличению разрешения: кулоновское отталкивание электронов в пучке и дробовой шум (следствие дискретности потока электронов, становящееся заметным при малых токах в пучке нанометрового диаметра). Оба эти явления приводят к размытию изображения, т.е. понижению разрешения.
Ионно-лучевая литография. В целом она весьма похожа на электронно-лучевую. Однако благодаря гораздо меньшей эквивалентной длине волны (для ионов Не λ = 5 10-5 нм при u = 100 кВ, в то время как для электронов λ = 4 10-3 нм при том же напряжении) дает возможность работать при значительно меньшей апертуре. Это позволяет иметь бóльшую глубину резкости изображения и экспонировать за один прием бóльшую площадь (~ 1 см2) при проекционной литографии с возможностью уменьшения изображения в 3-4 раза. Ионно-лучевая литография может быть также осуществлена сфокусированным пучком диаметром 5-10 нм. Отметим также более высокую чувствительность резистов к ионным пучкам, нежели к электронным, а также возможность работы прямо по поверхности кремния без нанесения резиста (прямым распылением подложки). Вместе с тем при проекционной печати этот способ требует двух комплиментарных масок на каждый рисунок, которые должны позиционироваться с очень высокой точностью друг относительно друга (порядка нескольких нм). Ионный пучок может создавать радиационные повреждения подложки. Эти и другие трудности делают ионную литографию менее развитой, чем электронная.
Рентгеновская литография. Она может быть осуществлена с помощью пучка фотонов с λ ≈ 1 нм, в качестве которого удобно использовать синхротронное или ондуляторное излучение. Препятствием для быстрой массовой реализации является необходимость использования мощного и весьма громоздкого источника излучения, а также предварительного изготовления высокоточных масок в масштабе 1:1. Последнее условие является следствием невозможности сфокусировать рентгеновский пучок аналогично оптическому, электронному или ионному. В результате отсутствует возможность получать на кремниевой подложке значительно уменьшенное (относительно масштаба шаблона-матрицы) изображение и добиваться дополнительной миниатюризации за счет этого.
Литография в жестком ультрафиолетовом излучении. В качестве источника такового предлагается использовать плазму газового разряда. Основные проблемы – создание высокоточных, бездефектных масок и мощных источников УФ–излучения. При требуемой λ ≈ 10 нм необходимая мощность излучения составляет ~ 100 Вт в полосе ∆λ ≈ 0,25 нм.
Перечисленные проблемы, естественно, вынуждают технологов искать альтернативные (нелучевые) методы нанолитографии.
Микроконтактная печать. Этот метод весьма похож на типографскую печать со свинцовых матриц. Однако он требует высокоточных шаблонов, специфических полимерных материалов для перенесения рисунка с матрицы на подложку, покрытую золотом или серебром, и имеет невысокое разрешение (~ 100 нм).
Зондовые методы. Их принципы описаны ранее. Потенциально они обладают очень высоким разрешением (1-10 нм), относительной простотой осуществления и требуемого оборудования. Однако производительность такого «письма нанопером» ограничивается максимально допустимой скоростью латерального движения зонда (~ 100 мкм/с), т.е. ~ 103 элементов/с. Значительно увеличить производительность можно с помощью матриц, содержащих 103 – 104 зондов, работающих одновременно.
Наноимпринтинг. Этот способ считается самым перспективным из нелучевых методов нанолитографии. В своей идее он напоминает технологию производства грампластинок на виниловых дисках времен середины прошлого века. Она заключалась во вдавливании металлической матрицы в разогретую поверхность полимера. Предложено несколько вариантов осуществления этого процесса в наношкале. Это может быть и буквальное воспроизведение старой технологии на новом техническом уровне и некоторые модификации.
Разработка принципиально новых фундаментальных принципов и технологических решений устройств обработки и накопления информации
К числу перспективных технологий, находящихся в стадии проведения фундаментальных исследований, относятся методы ближнего зондирования с помощью зондовых микроскопов AFM (атомно-силовой микроскоп) и STM (сканирующий туннельный микроскоп). Технология AFM предполагает наведение с помощью микроскопа разогретого острия и прожиг им углублений в материале носителя. Размеры кончика острия и, следовательно, размеры углублений не превышают нескольких нанометров (10-9 м).
В 2002 г. сотрудники расположенного в Цюрихе (Швейцария) исследовательского центра IBM под руководством Нобелевского лауреата Г. Биннига продемонстрировали работоспособный прототип устройства, использующие данную технологию. Новое устройство, названное Millepede (в вольном переводе – многоножка), похоже по своему принципу на перфокарту и использует принцип механической записи: микроскопической иглой продавливают углубление на поверхности тонкой пластиковой пленки. Каждое из этих углублений соответствует одному биту записываемой информации. В отличии от перфокарт, новое устройство предусматривает возможность многократной перезаписи и значительно большей удельной плотностью записи - около 1 Тбайт на кв. дюйм.
Ядром Millepede является двухмерный массив микроприводов, представляющих собой V-образные упругие силиконовые балки-кантилеверы длиной 70 мкм и толщиной всего 0,5 мкм (рис. 7). На конце подвеса каждого кантилевера имеется обращенная вниз игла длиной чуть менее 2 мкм с радиусом острия меньше 10 нм.
(а) (б)
Рис. 7. Схема экспериментального устройства Millepede (а) и конструкция кантилеверов для записи информации(б): 1 – матрица с зондами, 2 – подложка, 3 – нанопозиционер.
Специально разработанная конструкция подвеса игл выполняет две основные функции: обеспечивает точность позиционирования массива и предохраняет носитель информации от повреждений, компенсируя внешние физические воздействия (удары и вибрации). Управляющая электронная схема, позволяет одновременно посылать индивидуальные команды каждому из микроприводов, обеспечивая их согласованную совместную работу. Каждая игла обслуживает область размером 100100 мкм; точное позиционирование носителя информации в двух направлениях осуществляет прецизионный электромагнитный привод.
Все необходимые операции - чтение, запись, стирание и перезапись - осуществляются при соприкосновении игл с тонкой полимерной пленкой, покрытой слоем силиконовой материала толщиной всего несколько нанометров. Нанесение углубление, соответствующего биту, производится путем нагревания до 400°С встроенного в микропривод резистора. Нагретая до этой температуры игла размягчает полимер и на короткое время погружается в него, формируя углубление. При чтении нагрев производится до меньшей температуры (300° С), которая недостаточна для размягчения используемого полимерного материала. Благодаря высокой теплопроводности полимера игла при погружении в имеющееся углубление остывает, в результате чего изменяется сопротивление резистора, которое также отслеживается управляющей схемой. Для перезаписи данных игла совершает несколько движений с небольшим смешением относительно центра ранее сделанного углубления - как бы разравнивая поверхность полимерного материала. Уже изготовленная по этой технологии экспериментальная установка позволяет сохранить до 0,5 Гб на носителе размером 33 мм.
Ячейки памяти с программируемой металлизацией.
Еще один пример внедрения нанотехнологий в системы записи/хранения информации – разработка электрохимических ячеек памяти с программируемой металлизацией (Programmable Metallization Cell – PMC). Технология PMC использует электрохимическое управление в наношкале количеством металла в тонких пленках твердого электролита (рис. 8). Ключевые атрибуты - низкое напряжение и ток для операций записи-считывания, превосходная универсальность и простой метод изготовления. Принцип действия основан на растворении буквально счетного количества атомов серебра или меди в халкогенидных стеклах (например, селенид или сульфид германия германия) или оксидах (например, окись вольфрама), чтобы формировать твердый электролит. Содержащий серебро или медь слой и инертный электрод, контактирующий с пленкой электролита, создают устройство, в котором информация сохранена через электрические изменения, вызванные окислением серебра или меди и соответствующее сокращение числа их ионов в электролите. Эти реакции приводят к обрыву (или сужению) проводящего металлического мостика, таким образом создавая или разрушая токопроводящий канал, как можно видеть на рисунке 8. Это происходит при применяемом напряжении всего в нескольких сотен милливольт и может приводить к изменению сопротивления контакта на несколько порядков величины в пределах временного интервала в нескольких десятков наносекунд. Приложение обратного напряжения инвертирует направление процесса, который будет продолжаться до тех пор, пока электроосажденный металл не будет полностью удален, таким образом стирая записанную информацию о состоянии ячейки. Иногда этот тип памяти называют проводящей мостовой оперативной памятью (CBRAM) или памятью твердого электролита.
Рис. 8. Конструкция и принцип действия ячейки памяти на программируемой металлизации.
Одной из самых перспективной технологией считается ферроэлектрический принцип хранения информации — FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory). Особенность ферроэлектриков (или сегнетоэлектриков) состоит в сравнительно легком изменении величины дипольного момента под влиянием электрического поля. В обычном состоянии ферроэлектрик не является однородно поляризованным, а состоит из доменов с различными направлениями поляризации. Под действием электрического поля кристалл становится однодоменным (т.е. поляризованным), причем после выключения поля это состояние сохраняется в течение длительного времени. При воздействии поля противоположного направления значение поляризации также меняется. На этом принципе строится двоичная система. Переключение поляризации происходит за время меньше = 1 нс. К преимуществам этой технологии следует отнести стойкость к радиации и другим проникающим излучениям.
Разработанные на фирме ThinFilm тонкие пленки сегнетоэлектрического полимера (толщиной менее 0,1 мкм), зажатые между двумя сетками крошечных электродов, представляет собой матрицу такой памяти. В каждом пересечении шахматной доски электродов (один провод сверху слоя полимера, а другой — снизу его) создается бистабильная ячейка памяти. Электрическое напряжение, приложенное к данной ячейке, может изменять структуру полимера, переводя его из одного стабильного состояния в другое. Альтернативные состояния полимера соответствуют логическим нулю и единице. Данное состояние может сохраняться достаточно продолжительное время, так как изменение состояния полимера носит химический характер. По этой же причине состояние ячейки энергонезависимо. На рис. 9 показана структура матрицы FeRAM памяти.
Рис. 9. Устройство матрицы FeRAM памяти.
Достигнутые уже сейчас размеры элементов устройства составляют: диаметр проводника ~ 0,5 мкм, толщина пленки находилась в пределах 0,1–0,5 мкм. Практически технология создания устройств памяти данного вида может представлять собой раскатывание рулона полимера и напоминать работу газетной типографии. Особенно впечатляет плотность такой памяти. Если сейчас одна ячейка SRAM занимает площадь размером 4 6 мкм2, то предлагаемая технология позволит разместить элемент памяти на площади около 0,25 мкм2. Причина этого — отсутствие в составе ячейки активных элементов (транзисторов). Активные элементы адресации, считывания и записи могут находиться по периметру матрицы памяти или, как альтернатива, выше или ниже ее. Если учесть, что современная память емкостью в один гигабит требует применения от 1,5 до 6,5 млрд. транзисторов, то система полимерной памяти ограничивается примерно полумиллионом активных элементов. Для повышения плотности памяти листы полимера могут быть сложены стопкой. Согласно расчетам специалистов фирмы ThinFilm, устройство памяти размером с кредитную карточку, построенное по этой технологии, могло бы хранить 60 000 фильмов в стандарте DVD; или 126 лет музыки в стандарте MP3; или 400 000 компакт-дисков; или 250 миллионов цифровых фотографий высокого разрешения! При этом увеличение емкости памяти за счет нанесения дополнительных полимерных пленок не влечет за собой существенного увеличения потребляемой мощности (энергия считывания или записи одного разряда информации не превышает 1 пДж).
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
Молекулы углекислого газа СО в присутствии железного катализатора при достаточно высокой температуре образуют шестиугольные молекулы из атомов углерода С60 (фуллерены), которые затем формируют упорядоченную пленку, из которой создаются бесшовные цилиндры — нанотрубки (рис. 10). Нанотрубка — единая молекула, содержащая миллионы атомов. Углеродные нанотрубки (single-walled carbon nanotubes — SWNT) были открыты в 1991 году Sumio Iijima (фирма NEC, Япония). Позже было выяснено, что данные образования имеют двойственную природу: они могут вести себя как проводники или как полупроводники (становящиеся проводниками при подаче напряжения определенной величины) при условии закручивания молекулы в спираль. Подобный дуализм — идеальное сочетание для создания элементов вычислительной техники нанометровых размеров. Геометрические комбинации нанотрубок показали идентичность их свойств диодам, транзисторам, ключевым элементам и другим компонентам существующей кремниевой технологии.
Рис. 10. Схема строения некоторых фуллеритовых структур: а) фуллерит С60; б) фуллерит С70 ; в) однослойная нанотрубка с закрытым торцом.
Нанотрубки со свойствами полупроводников могут использоваться в полевых транзисторах подобно тому, как в них используется кремний. Схематически такой экспериментальный транзистор показан на рис. 11. Приложение к затвору, роль которого играет кремниевая подложка, напряжения от +6 до –2 В меняет величину проводимости канала почти в 105 раз. За несколько лет развития (впервые возможность создания транзистора на нанотрубке была продемонстрирована в 1998 г.) удалось значительно улучшить характеристики нанотрубчатых полевых транзисторов и приблизить их к таковым у лучших «кремниевых» при значительно меньших размерах. На этих принципах (по существу – «кремниевых») удалось построить экспериментальные логические приборы и ячейки памяти.
Рис. 11. Полевой транзистор на основе углеродной нанотрубки диаметром 1,6 нм.
Число идей и практических вариантов использования нанотрубок в наноэлектронике множится с каждым годом. Помимо традиционных подходов использование нанотрубок в электронике предоставляет и уникальные возможности, отсутствующие у кремниевой базы. Так, группой С. Ииджимы – открывателя нанотрубок – в качестве ячейки памяти было предложено использовать короткую, закрытую с двух сторон нанотрубку, в которую помещена молекула фуллерена С60 (рис. 12а). Силы Ван-дер-Ваальса между ними нарастают вблизи концов нанотрубки, что приводит к возникновению двухямного потенциала. Одному крайнему положению молекулы С60 можно приписать логический «0», а другому – логическую «1». Переключение между этими состояниями можно обеспечить, поместив атом металла в полость молекулы фуллерена. Он ионизуется и в результате эндоэдральный комплекс приобретает заряд или дипольный момент. Приложение электрического поля вдоль оси трубки приводит к перемещению этого «челнока» из одного крайнего положения в другое, что и обеспечивает управление ячейкой. Отключение поля не приводит к изменению достигнутого состояния, т.е. реализуется долговременная память без энергопотребления.
Простым и эффективным решением явилось использование прямоугольной сетки нанотрубок одновременно в качестве матрицы ячеек памяти и устройств ввода-вывода (рис. 12б). Такая структура обеспечивает бистабильное электростатически переключаемое состояние в каждом пересечении сетки нанотрубок. Детальный анализ показал, что сила упругости, возникающая в момент, когда верхняя нанотрубка максимально удалена от нижней, и силы Ван дер Ваальса, возникающие при сближении трубок в точке их пересечения, определяют два ярко выраженных энергетических состояния ячейки памяти. В первом состоянии переходное сопротивление между нанотрубками велико, во втором состоянии — мало. Обеспечивая электрически притягивающие и отталкивающие силы между нанотрубками, можно вводить данные. Так как электростатическое воздействие прикладывается только к концу конкретной нанотрубки, а не к каждой ячейке памяти, проблема соединения «макромира» и «микромира» в значительной мере будет решена. В правильно рассчитанной конструкции силы Ван-дер-Ваальса продолжают удерживать трубки в контакте и после
Рис. 12. Запоминающие устройства на нанотрубках: а) с молекулой фуллерена во внутренней полости; б) с локально деформируемыми трубками; в) с изолирующим слоем, содержащим глубокие ловушки электронов.
снятия напряжения, т.е. реализуется ячейка энергонезависимой памяти. Стирание запомненного бита информации можно обеспечить приложением напряжения к трубкам данного узла в одинаковой полярности. Оценки, сделанные на основе анализа сил и результатов экспериментов, учитывающие модули упругости, необходимые зазоры и прогибы «нанострун», показывают, что возможно создание матриц динамической памяти с размерами ячеек 5 5 нм, плотностью записи ~ 1012 Бит/см2 и быстродействием ~ 100 ГГц.
Еще один пример построения запоминающей матрицы на нанотрубках показан на рис. 12в. Верхний слой трубок с металлической проводимостью отделен от нижнего, полупроводникового трехслойным диэлектриком SiO2 – Si3N4 – SiO2. Таким образом, в каждой точке пересечения трубок образуется индивидуальный полевой транзистор. Внутренний слой из нитрида кремния способен захватить инжектированные носители, что сдвигает величину критического напряжения открытия транзистора. Это и положено в основу принципа действия такой памяти, весьма сходного с освоенным в технологии флэш – памяти.
Несмотря на то, что электроника на нанотрубках обладает вполне приемлемыми электрическими характеристиками и может иметь плотность упаковки, недостижимую в кремниевой технологии, для реальной конкуренции с последней необходим переход от лабораторных образцов к массовой технологии. Отдельные ее элементы уже созданы: существует множество способов выращивания и управления ростом нанотрубок, их сортировки и выстраивания в заданные конфигурации, подведения контактов и т.п. Однако все это требует еще увязывания и объединения в единый технологический процесс с экономическими характеристиками, не уступающими кремниевой планарной технологии. Для массового использования этих наработок необходимо научиться выращивать трубки с заданными свойствами в больших количествах и простыми способами соединять их в необходимые электрические схемы. Этого можно добиться различными методами – формируя их в намеченных местах на подложке, пришивая к ним функциональные группы и создавая условия для самоорганизации и сборки и др. Большинство описанных в публикациях устройств на нанотрубках созданы в единичных экземплярах в лабораторных условиях ценой больших затрат времени и труда. Их характеристики не отличаются хорошей воспроизводимостью и надежностью. Так что на пути к массовым технологиям необходимо еще преодолеть немало препятствий прежде всего технического характера.
Большой проблемой на сегодняшний день является задание ориентации нанотрубок и их соединение. Эта задача решается химическим путем так, что на нанотрубках закрепляются химические «бирки», которые самоорганизуют нанотрубки в необходимые конструкции. Данный процесс назван «избирательной функциональностью» (selective functionalization). Бирки притягивают или отталкивают концы нанопроводников и нанополупроводников, создавая функциональные цепи. Однако ряд ученых полагает, что решение такой задачи не под силу современной химии. Они считают, что достаточно для начала хотя бы дополнить существующие предельные кремниевые технологии нанотехнологиями на основе нанотрубок.
Таким образом, нанотрубки могут сами явиться материалом для создания элементов микроэлектронной техники, кроме того, как проводники они потенциально могут обеспечить электрическую связь молекулярных устройств с «внешним миром». Однако существующие самые тонкие «толстые провода макромира» имеют диаметр около 200 нанометров, а толщина нанотрубок составляет лишь около двух нанометров, что соответствует десяти атомам углерода.
Квантовая память
Среди альтернативных подходов наноэлектроники наиболее революционными являются те, которые приближают работу устройства к квантовым пределам, положенным самой Природой - это один электрон, один спин, один квант магнитного потока, энергии и т. д. Это сулит быстродействие ~ ТГц (~ 1012 операций в секунду), а плотность записи информации ~ 103 ТВ/см2, что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в винчестере размерами с наручные часы можно было бы разместить фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех, до единого, жителей Земли!
Действительно, с принципиальной точки зрения для оперирования в двоичной системе исчисления необходимы элементы, которые способны реализовывать два устойчивых (стабильных во времени и не разрушаемых термическими флуктуациями) состояния, соответствующие «О» и «1», и допускать максимально быстрое переключение между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле). Для этого он должен перейти с одного атома на другой, что реализовало бы заветную мечту - «одноэлектронное» устройство, а впоследствии - освоение мира «одноэлектроники». Для сравнения упомянем, что современные электронные средства неэкономно «тратят» сотни - тысячи электронов на одну операцию. Другая возможность заключается в переориентации спина электрона, у которого может быть только два устойчивых состояния в пространстве. На этом принципе основывается совершенно новое направление в науке и нанотехнологий - спинтроника.
Большую перспективу применения в наноэлектронике, наносенсорной технике и других областях имеют низкоразмерные квантовые структуры, интенсивно изучаемые физикой в последние несколько десятилетий. Обычно это полупроводниковые или сверхпроводящие объекты, имеющие атомарный масштаб в одном, двух или всех трех направлениях. Их свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала вследствие яркого проявления квантовых закономерностей поведения. Физическая причина этих различий заключается в том, что, когда хотя бы один из размеров объекта становится соизмеримым с длиной волны де Бройля для электронов или меньше ее, вдоль этого направления начинается размерное квантование. Различия в энергетической структуре и плотности электронных состояний для низкоразмерных систем таковы, что по мере понижения размерности (т.е. с ростом ограничений для движения электронов), спектр все более дискретизируется, и для квантовой точки становится похожим на атомарный.
Различные варианты двух основных технологий получения низкоразмерных структур - молекулярно-лучевая эпитаксия и химическое осаждение - дают возможность получения двумерных (тонкие пленки), одномерных (квантовые проволоки) или нуль-мерных (квантовые точки) образований, которые уже используются и будут использоваться еще шире в электронных и фотонных приборах. Большую роль в получении таких объектов играют также процессы самоорганизации, в которых необходимая структура создается из менее упорядоченной путем нанотехнологической операции самосборки.
Одним из путей радикального обновления принципов и схемотехники в электронике является использование сверхпроводящих (СП) элементов, включающих джозефсоновский переход. Он представляет собой две сверхпроводящие пленки, разделенные тонким слоем (~ 1 нм) диэлектрика. Такие сверхпроводники называют слабосвязанными, а саму сверхпроводимость обозначают как «слабую». В физических лабораториях к настоящему времени разработано множество джозефсоновских элементов и устройств, имеющих обширные перспективы применения в качестве генераторов и приемников миллиметровых и субмиллиметровых излучений, логических элементов и ячеек памяти, устройств квантового кодирования и передачи данных, высокочувствительных датчиков магнитного слоя, электрического заряда, напряжения, тока, теплового потока и т.д.
Принцип действия таких элементов основан на квантовых закономерностях поведения одного или нескольких джозефсоновских контактов, включенных в обычную электрическую цепь. Электроны в сверхпроводнике ведут себя скоррелированно, в результате чего ток и созданный им магнитный поток квантуется, подобно тому, как квантуются электронные орбитали и уровни энергии в отдельном атоме. Из-за этого в кольце, состоящем из двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно, может укладываться только целое число длин электронных волн, а внутри такого кольца может существовать не любой магнитный поток, а только кратный целому числу квантов магнитного потока Фо = h/ 2е ≈ 2 10-15 Вб (здесь е - заряд электрона; h - постоянная Планка).
Это обеспечивает автоматический переход от аналогового способа представления информации к дискретному. Использование слабосвязанных СП структур позволяет достичь в устройствах квантового кодирования и передачи данных предельно низких уровней шума и энергопотребления при рабочих частотах ~1012 Гц.
Элементы так называемой быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации является квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами, превышающими 100 ГГц, при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом и ячейкой памяти. Поскольку объем передаваемых в сети Интернет данных удваивается каждые 100 - 120 дней, в ближайшей перспективе даже наиболее современные из разрабатываемых сейчас полупроводниковых приборов не смогут пропускать такие большие потоки. Трехмерные СП структуры, состоящие из сложенных в стопу джозефсоновских электронных схем, видятся сейчас как практически единственная реальная альтернатива планарным полупроводниковым микросхемам, для обработки больших объемов информации.
Освоение новых физических принципов позволяет создавать принципиально новые классы вычислительных систем на основе квантовых низкоразмерных структур. Уже разработаны квантовые алгоритмы вычислений, позволяющие решать задачи, заведомо не решаемые на традиционных компьютерах, использующих детерминистическую бинарную логику (т.е. управление состоянием классических ячеек 0 и 1). Квантовый бит (кубит) должен представлять собой квантовую когерентную двухуровневую систему типа объекта, имеющего электронный спин +1/2 или -1/2.
Информация хранится, обрабатывается и передается в такой гипотетической (пока) вычислительной машине по квантовомеханическим законам в виде волновой функции системы, состоящей из большого числа кубитов. Колоссальное увеличение объема и скорости оперирования информацией в таком устройстве будет обусловлено не просто уменьшением времени одной операции, а максимально возможным в природе распараллеливанием вычислений, лимитируемым только квантовым пределом. Одновременно могут быть решены на новом уровне вопросы кодирования и криптографии. В настоящее время идут поиски удобной наноструктуры для реализации кубита. Одновременно развивается несколько подходов к решению этой проблемы. Наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров. На основе двумерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов.
В 1997–1998 гг. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, США) разработала программу формирования новой наукоемкой технологии — молекулярной электроники (молетроники, moletronics). Целью реализации программы создания молетроники является доказательство возможности интеграции молекул или других наночастиц в законченные функциональные электронные устройства, которые связаны друг с другом и с внешними устройствами вычислительной техники. Информация передается или хранится в них в виде электронов или в виде разности электрических потенциалов, определяемых считанным количеством все тех же электронов. Собственно говоря, как обычно, нужны логические элементы и элементы памяти. Те и другие должны функционировать в привычном диапазоне температур (промышленном и коммерческом), иметь очень высокую плотность, малую мощность энергопотребления при управлении. Память должна быть энергонезависимой, словарной (например, байтной) и терабитного уровня по объему. Сами устройства создаются по принципу направленной самоорганизации, так как масштабирование здесь теряет смысл. Их структура предпочтительно должна быть трехмерной.
В настоящее время ведутся интенсивные разработки основ методов хранения информации на квантовом уровне и осуществлении сложных вычислений с помощью квантовых устройств, требующих, в том числе, для их проведения сотен тысяч потенциальных квантовых бит (кубит или qubit). В одной из описанных ранее систем используется новое состояние вещества, получившее название «изолятор Мотта» (Mott insulator), или так называемая «упорядоченная жидкость» (patterned liquid). В другой рассматриваются методы, позволяющие останавливать, хранить и восстанавливать импульсы света. Группа физиков из Мюнхенского института квантовой оптики им. Макса Планка и Цюрихского института квантовой электроники опубликовали в журнале Nature статью с описанием охлаждения и помещения газа, состоящего из атомов рубидия, в каркас упорядоченной решетки. Каждая ячейка такой решетки может быть заполнена только одним атомом, которым можно индивидуально манипулировать с помощью прецизионных магнитных импульсов.
Главной проблемой исследования квантовых объектов и квантовых измерений является легкость, с которой квантовый объект уничтожается (как это происходит с фотоном) или возмущается его состояние (например, при измерении координаты элементарной частицы) при единичном акте измерения или считывания информации. Сегодня уже удалось записать без потерь в квантовое состояние атома рубидия информацию, содержащуюся в фотоне, а затем также без потерь ее воспроизвести.
Для того чтобы синтезировать такую экзотическую структуру, ученые должны были «поймать» и охладить атомы цезия до субмилликельвиновых температур в вакууме. Далее исследователям удалось «выстроить» их в одну горизонтальную линию в волновой ловушке оптических диполей, образованной двумя лазерными лучами. Однако атомы не построились «друг за другом» — между ними остались нерегулярные промежутки, причем в каждом определенном опыте промежутки были различными.
Чтобы рассортировать атомы более точно, ученым пришлось использовать оптический пинцет, сформированный другой парой лазерных лучей в вертикальной плоскости. Благодаря пинцету появилась возможность удалять любой из атомов из «горизонтальной» ловушки.
Подобный метод позволил ученым создать струну из семи атомов, разделенных расстоянием 15 микрон. В результате был получен первый «квантовый регистр», то есть элементарная ячейка хранения данных с помощью одиночных атомов. Правда, время, в течение которого такая память хранит информацию, ничтожно мало - флуктуации полей окружающей среды и самого атома рубидия возмущают содержимое ячейки памяти за время около 0,001 с, что требует слишком частых циклов обновления. Так что излишний оптимизм исследователей о скором создании квантового компьютера, увы, разделить нельзя. Дальнейшие планы ученых направлены на построение квантового транзистора, который смог бы записывать информацию в атомный регистр.
Специалисты корпорации Arial&Intel и компании и QinetiQ разработали технологию производства транзисторов на основе антимонида индия (InSb), которая обещает повысить скорость работы примерно на 50% и снизить энергопотребление до 10 раз. Сотрудники Intel уповают на то, что новая технология продлит действие закона Мура вплоть до 2015 года.
Транзисторы с каналами из антимонида индия с длиной затвора 85 нанометров, работающие в режиме обеднения на основе "квантового колодца", отличаются малыми размерами (более чем в два раза меньше существующих). Работающие в режиме обогащения транзисторы были продемонстрированы впервые. Транзисторы этого типа являются самыми распространенными транзисторами, используемыми в микропроцессорах и других логических схемах. Новые транзисторы могут работать при напряжении около 0,5 В (это примерно вдвое меньше, чем напряжение, используемое транзисторами современных процессоров).
Следующая по сложности задача - сконструировать молекулярные переключатели и ячейки памяти. Их физической основой могут быть различные бистабильные системы, построенные на базе органических молекул. Некоторые наиболее важные примеры таких систем и принципы их работы схематически изображены на рис. 13. Классификацию таких
Рис. 13. Два класса молекулярных приборов: а) объемные, с хаотическим расположением большого числа молекул; б) одномолекулярные с подключением электродов к определенным атомам и связям в молекуле. 1 - электрод, 2 - молекула, 3 – атом, 4 – межатомная связь.
устройств можно представить в виде двумерной сетки, по горизонтали у которой отложены переключающие факторы (нагрев, освещение, электрическое напряжение, магнитное поле и т.д.), а по вертикали – переключаемое свойство (проводимость, намагниченность, поляризация и т.п.). В узлах этой сетки находятся молекулярные переключатели различных типов, реализованные на известных или сконструированных специально молекулярных системах. В качестве примера одного из них на рис. 14 показана схема триггера с двумя устойчивыми положениями, выполненная на катенановой молекуле. Она представляет собой два кольца, сцепленных между собой и способных менять положение друг относительно друга. Подключение электрического напряжения той или иной полярности и величины (в пределах от -1,5 В до +2 В) приводит к повороту одного из колец на 1800, а затем на 3600. Причем молекула бистабильна (устойчива в
Рис. 14. Схема переключателя (ячейки памяти) на молекуле ротаксана, меняющей конформацию вследствие присоединения или потери электрона (окислительно-восстановительной реакции). В результате левая кольцеобразная часть молекулы поворачивается относительно замкнутой правой части на 1800.
обоих положениях в отсутствие приложенного напряжения) и может рассматриваться и как переключатель, и как ячейка памяти. К настоящему времени найдено несколько десятков органических молекул, способных изменять конформацию под действием света или в результате изменения зарядового состояния (окисление/восстановление). Обычно – это ароматические соединения с несколькими бензольными кольцами, катенаны, ротаксаны и др.
Имеются сообщения и о реализациях трехэлектродных молекулярных приборов – аналогов полупроводниковых транзисторов, и оптоэлектронных устройств.
Очень схематично единичные ячейки таких устройств показаны на рис. 15. Они состоят из двух основных электродов (анод А и катод С) и молекулы (или ее фрагментов), помещенной между ними. Управление такими ячейками может осуществляться несколькими способами. Для чисто электрических приборов это может быть третий электрод (G) или другая молекула субстрата (S), связывающаяся с основной. Ясно, что такая структура принципиально схожа с известными полупроводниковыми устройствами (диод, ключ, транзистор и т.д.), но имеет нанометровые размеры во всех измерениях. В этой связи электроны внутри нее могут иметь только дискретные уровни, по которым должен транспортироваться носитель, транслирующийся с уровня Ферми F1 одного электрода на уровень Ферми F2 другого электрода.
Рис. 15. Схематическое устройство отдельной ячейки молекулярного электронного устройства (а) и оптоэлектронного устройства (б): С – катод; А – анод; G – управляющий электрод; S – молекула субстрата; М – модулирующий электрод; ЕТL и НТL – транспортный мостик с электронными и дырочными носителями соответственно; Ph – фотоны; в – схема дискретных энергетических уровней для носителя (1-6), перемещающегося между электродами с уровнями Ферми ЕF1 и EF2.
Аналогично может быть устроен и оптоэлектронный элемент. В общем случае он может содержать два молекулярных фрагмента с электронной и дырочной проводимостью, что обеспечивает легкую реализацию светодиода в месте их соединения. Дополнительное управление может осуществляться вспомогательными модулирующими электродами, расположенными под катодом и анодом. На роль молекулярных мостиков претендует множество хорошо (и не очень хорошо) изученных молекул – нанотрубки, полимеры, ДНК, РНК и другие органические молекулы. Несмотря на большое число принципиальных вопросов и проблем, еще ждущих своего решения, уже созданы высокоплотные матрицы, содержащие до нескольких тысяч отдельных ячеек, выполняющих запрограммированные функции. Так, разработана экспериментальная матрица, использующая триггерный эффект в катенановых молекулах, схематически показанных на рис. 14. Сначала с помощью поверхностно-активного вещества (ПАВ) создают монослой молекул катенана, а затем помещают его между двумя слоями электродов. Нижние электроды выполнены из поликристаллического кремния и расположены на диэлектрической подложке, верхние – из напыленной пленки Ti/Al. Электроды образуют матрицу из взаимно перпендикулярных проводников, обеспечивающих произвольное подключение разности потенциалов к любому узлу, что важно для создания чипов быстродействующей оперативной памяти. Эксперименты показали, что при смене полярности напряжения наблюдается отчетливый гистерезис на вольтамперной характеристике ячейки, что трактуется как результат поворота молекулярных колец в катенане и может использоваться для запоминания бита информации.
Трехмерная голографическая память
Среди зарождающихся технологий записи и хранения информации едва ли не наибольший интерес представляет голографическая память, которая уже выходит на рынок из стадии лабораторных разработок. Принципы технологии голографической памяти заключаются в следующем.
Голография (от греч. hólos — весь, полный) - это метод получения объёмного изображения объекта, основанный на интерференции волн. Идея была впервые высказана англичанином Д. Габором (1948), однако техническая реализация метода оказалась чрезвычайно сложной и голография не получила практического распространения. Голографическая память развивается, начиная с работ Питера ван Хеердена (Pieter J. Van Heerden), сотрудника фирмы Polaroid. Он предложил идею хранения данных в трех измерениях еще в 1963 г. (рис. 16). Однако, только с появлением лазеров открылись многочисленные и разнообразные возможности практического использования этого явления.
Рис. 16. Принцип получения и считывания голографического изображения.
Голографические устройства памяти с большой ёмкостью были предложены в 1966 А. Л. Микаэляном и В. И. Бобриневым (СССР). Они основаны на записи большого числа голограмм на одну и ту же поверхность (или объём) материала. Для того чтобы изображения не накладывались друг на друга, при записи каждого из них изменяют угол падения опорной волны на светочувствительный слой (рис. 17). Опорный луч, прежде чем попасть на голограмму, проходит через отклоняющую систему, которая устанавливает направление опорного луча в соответствии с введённым в неё адресом. Каждому адресу соответствует своё направление опорного луча. Сигнальный луч делится на n каналов, в каждый из которых включен модулятор М. При наличии управляющего напряжения он пропускает луч лазера, а при отсутствии напряжения становится непрозрачным. На выходе модуляторов возникает комбинация n лучей, которые вместе с опорным лучом записываются в виде голограммы. При накоплении информации в запоминающем устройстве на адресный вход подаются поочерёдно все адреса, а на сигнальный — соответствующие числа.
Аналогично, страница с цифровой информацией формируется первоначально в виде двумерного изображения. Она создается с помощью устройства, называемого пространственным модулятором света (Spatial Light Modulator - SLM). На втором этапе создается голограмма изображения. Лазерный луч, попадая на дефлектор - систему отклоняющих полупрозрачных зеркал (от лат. deflecto - отклоняю, отвожу), расщепляется на два луча. Один из лучей, называемый объектным, освещает информационную страницу; второй луч, называемый опорным, создает интерференционную картину. Далее происходит наложение двух лучей, которые создают голограмму. Голограмма сохраняется в запоминающей среде. Для чтения информации используется только опорный луч, которым освещается голограмма для воспроизведения страницы. Отклоняющая система устанавливает угол падения считывающего опорного луча, соответствующий заданному адресу, и голограмма формирует изображение в виде системы ярких точек, количество и взаимное расположение которых определяется комбинацией включенных при записи модуляторов. Это изображение проецируется на систему фотоприёмников, на выходе которых сигналы дают считанное число. Уже удалось записать последовательно до 1000 голограмм 32-разрядных чисел на участке поверхности с диаметром около 2 мм. Изображение считывается с помощью матрицы ПЗС (прибор с зарядной связью).
К достоинствам голографической памяти можно отнести то, что голограммы хранятся не в виде изображений, а в виде волновых интерференционных кодограмм. Если разделить такую голограмму на две части, то получатся не две части одного изображения, а два идентичных изображения. Это означает, что случайный дефект носителя данных не приведет к потере части информации. Это свойство проявляется за счет избыточности информации, характерной для всей голограммы.
Рис. 17. Голографическое трехмерное запоминающее устройство.
Для характеристики голографической памяти используется понятие объемной плотности записи. Используемая в трехмерной голографии процедура заключения нескольких страниц с данными в один и тот же объем называется мультиплексированием. Традиционно используются следующие методы мультиплексирования: по углу падения опорного пучка, по длине волны и по фазе, но, к сожалению, они требуют сложных оптических систем и толстых (толщиной в несколько миллиметров) носителей, что делает их непригодными для коммерческого применения, по крайней мере, в сфере обработки информации. Однако совсем недавно Bell Labs были изобретены три новых метода мультиплексирования: сдвиговое, апертурное и корреляционное, основанные на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное - пучок еще более сложной формы. Кроме того, поскольку при корреляционном и сдвиговом мультиплексировании задействованы механические движущиеся элементы, время доступа при их применении будет примерно таким же, как и у обычных оптических дисков. Bell Labs удалось построить экспериментальный носитель на основе ниобата лития LiNbO3, использующий технику корреляционного мультиплексирования с плотностью записи около 226GB на квадратный дюйм.
Другой сложностью, возникшей на пути создания устройств голографической памяти, стал поиск подходящего материала для носителя. Большинство исследований в области голографии проводились с использованием фотореактивных материалов (главным образом, упоминавшегося выше ниобата лития), однако если они годятся для записи голографических изображений ювелирных украшений, то этого никак нельзя сказать в отношении записи информации, да еще в коммерческих устройствах: они дороги, имеют слабую чувствительность и ограниченный динамический диапазон (частотная полоса пропускания). Поэтому был разработан новый класс фотополимерных материалов, обладающих неплохими перспективами с точки зрения коммерческого применения. Фотополимеры представляют собой вещества, в которых под действием света происходят необратимые изменения, выражающиеся во флуктуациях состава и плотности. Созданные материалы имеют более продолжительный жизненный цикл (в плане хранения записанной на них информации) и устойчивы к воздействию температур, а также отличаются улучшенными оптическими характеристиками, в общем, подходят для однократной записи данных (WORM).
Многие характеристики голограмм зависят от параметров пространственно-временных модуляторов света (SLM). Пространственно-временные модуляторы света изготавливаются в виде электрически либо оптически управляемых оптических транспарантов и характеризуются следующими параметрами:
- размеры линейной апертуры, мм;
- число элементарных ячеек;
- разрешающая способность, линии мм;
- рабочие и управляющие (ОУТ) длины волн, нм;
- величина управляющего напряжения (ЭУТ), В;
- коэффициент контраста (равен отношению разности максимального и минимального пропусканий транспаранта к их сумме);
- быстродействие (время релаксации ПВМС);
- нелинейность передаточной характеристики;
- шумы.
В основе действия современных ПВМС лежат различные температурные, электрооптические, магнитооптические, акустооптические и др. явления – эффекты Поккельса, Керра, Фарадея, дифракция Брэгга и др. Типичные размеры линейной апертуры ПВМС составляют 20-30 мм. В качестве примера ПВМС с электрическим управлением световым потоком рассмотрим пьезокерамический модулятор (рис. 18). ПВМС на основе электрооптической керамики обладают преимуществами перед большинством других ПМВС благодаря сравнительно низкой стоимости. Рабочим материалом здесь является пластина из поликристалла цирконата-титаната свинца легированного лантаном, толщиной около 100 мкм. В такой пьезокерамике образуются области спонтанной метрической поляризации (домены), вектора ориентации которых в отсутствие внесшего доля расположены хаотично. При прохождении света через такую пьезокерамическую пластину состояние поляризации света изменяется незначительно, так как средняя величина двулучепреломления при этом близка к нулю. При действии внешнего электрического поля, что обеспечивается созданием потенциального рельефа решеткой прозрачных электродов на поверхности ЭУТ, направления векторов спонтанной поляризации доменов керамики выстраиваются вдоль вектора внешнего поля. Вследствие продольного электрооптического эффекта Поккельса в разных участках пластины средняя величина двулучепреломления становится отличной от нуля, что приводит к изменению поляризации света, проходящего через данный участок ЭУТ (рис. 3б). Пьезокерамические ЭУТ содержат до 10 000 ячеек размерами 0,3×0,3 мм, прозрачны в широком диапазоне длин волн 0,6 – 6,0 мкм, характеризуются высоким (1:500) контрастом и высокой (до 0,1 мс) скоростью срабатывания.
Рис. 18. Принцип действия пьезокерамического пространственного модулятора света: а – произвольная ориентация доменов в отсутствие внешнего поля, б – ориентирующее действие электрического поля на вектор поляризации световой волны.
Теоретически голограммы могут хранить 1 бит в объеме, который равен кубу длины волны лазера. Например, красный луч лазера на смеси неона и гелия имеет длину волны 632,8 нм, и совершенная голографическая память могла бы хранить 4 Гб в кубическом миллиметре. В действительности же плотность записи данных намного ниже, чему есть, по крайней мере, четыре причины: необходимость коррекции ошибок, недостатки и ограничения оптической системы, экономические (с увеличением плотности записи стоимость растет непропорционально быстрее) и физические ограничения (конечность длины волны лазера, междуатомного расстояния в кристалле записи и несовершенство оптических систем).
Работы по созданию голографической памяти начались более 40 лет назад, и сегодня ряд компаний, например NTT и Optware в Японии, InPhase Technology в США, имеют законченные разработки с голографическими дисками (Holographic Versatile Disc – HVD) и картами (Holographic Versatile Card – HVC), и наконец приступают к продаже своих первых коммерческих приборов. Рассмотрим несколько голографических устройств, уже вышедших на рынок.
Компания InPhase Tech пришлось находить новый носитель информации, который обладал бы высокой фоточувствительностью, стабильностью, оптической чистотой, возможностью лёгкого производства, который бы не разрушался при считывании, не подвергался воздействию внешних факторов и при этом оставался бы лёгким и тонким. Таким носителем стал фото-полимер, из которого стали изготавливать диски, заключённые в специальном картридже. Диск имеет диаметр 130 мм, чуть больше, чем стандартный компакт-диск или DVD. Когда свет попадает на этот материал, происходит химическая реакция, вырабатываются фотоны, записывающие данные. Этот процесс нельзя обратить, поэтому потребовалось создать дополнительные средства защиты, гарантирующие целостность записи как в процессе, так и после. Каждый диск Tapestry имеет встроенный чип, используемый для хранения карты данных, чем-то напоминающей FAT жёсткого диска. В этой библиотеке хранятся все данные о партициях, формате и положении данных. При установке диска в устройство, прежде всего, производится считывание информации с этого чипа. Если эти данные утеряны, считать информацию будет очень сложно, практически невозможно. Эти карты данных могут быть зашифрованы методом криптографии, так что доступ к ним получит только владелец информации. Ещё одно средство защиты - изменение длины волны лазера. Малейшее изменение длины волны лазера позволит защитить данные от считывания другими приводами, на которых установлена другая длина волны. Не зная длины волны, считать данные не получится. Длина волны лазера может изменяться от 403 до 407 нм. Последний, наиболее эффективный метод защиты данных - фазовая маска. Суть её заключается в том, что привод может накладывать определённую маску на пути лазерного луча, несущего данные. Эта маска потребуется как при записи, так и при считывании данных. После применения фазовой маски считать данные на стандартных приводах уже не получится. Эту функцию можно установить на некоторых приводах по заказу без увеличения стоимости продукта. Каждая маска уникальна, она получается с использованием генератора случайных чисел и повторить её не удастся.
Сегодня приводы Tapestry позволяют записывать 200 Гб диски со скоростью 20 Мб/с. До 2010 года компания InPhase Tech обещает достигнуть ёмкости 1,6 Тб и скорости записи 120 Мб/с. Время хранения данных на одном диске составляет не менее 50 лет, то есть эти диски очень долговечны, особенно по сравнению со стримерными картриджами.
Компания NTT продемонстрировала прототип принципиально иного накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной голографии, и устройство для считывания данных. Емкость носителя (100 слоев) размерами с почтовую марку – 1 Гб. Новая карта памяти была названа Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted Card), так как ее многослойная структура похожа на структуру породы слюды. Запись информации производится следующим образом. Сначала цифровые данные перекодируются в двухмерные изображения, которые затем преобразуются в голограмму с помощью технологии CGH (Computer Generated Hologram), и, наконец, эти голограммы записываются в виде особых структур на слоях носителя. Слои представляют собой волноводы. Когда луч лазера фокусируется на торце такого волноводного слоя, он начинает распространяться по нему, рассеиваясь на записанных структурах. Рассеянный свет формирует двухмерные изображения в плоскости, параллельной волноводному слою. Они захватываются CCD-сенсорами и декодируются в исходные цифровые данные.
Достоинства новой технологии Info-MICA состоят в высокой плотности записи, малых размерах дисковода, низком энергопотреблении, возможности дешевого массового производства носителей, трудности несанкционированного копирования данных с них и простоте утилизации. Первые кард-ридеры (стоимостью несколько сот долларов) и носители емкостью 1 Гб ($1–2) уже появились на рынке. В планах компании – выпуск Info-MICA ROM емкостью 10 Гб и разработка устройств записи и перезаписи носителей.
Наконец, разработка фирмы Optware отличается тем, что если для других систем требуются два отдельных луча – данных и опорного, в Optware лучи коллинеарные, что значительно упрощает конструкцию системы чтение/запись, повышает ее надежность, а также снижает стоимость. Эта коллинеарная система может использовать предварительно форматированные диски с адресными метками на поверхности гальванического покрытия, подобно технологиям CD и DVD. В то время как зелено-голубой лазер читает и записывает данные, лазер, генерирующий в красной области спектра, гарантирует прецизионное позиционирование. Система позиционирования сервопривода настолько подобна стандартному DVD, что дисководы Optware способны работать с дисками обоих типов. Коллинеарная технология также удобна для физического кодирования дисков, что позволит значительно повысить степень защиты авторских прав.
В заключении отметим, что Optware и InPhase выпустили свои устройства на коммерческий рынок. Стоимость дисководов приблизительно 15 000 долларов, а дисков – $120. Архивный ресурс гарантируется в течение 50 лет.
Технология двухфотонной записи информации
Если стандартные DVD имеют на каждой стороне лишь по два слоя для записи информации, то развиваемая сейчас двухфотонная технология записи (Two-photon 3D optical data storage) позволяет использовать по нескольку сот слоев на каждой стороне диска (созданные прототипы имеют 100 слоев при толщине 8 мм).
В основу "Двухфотонного трёхмерного оптического устройства хранения данных" (Two-photon 3D optical data storage), его изобретатель К. Белфилд положил принцип двухфотонного возбуждения (рис. 19). Говоря упрощённо, это когда некая светочувствительная молекула откликается флуоресценцией, поглотив сразу два фотона меньшей энергии, так, как если бы она поглотила один фотон большей энергии. Используя сочетание двух лазеров с разными длинами волны, можно добиться того, что на диск будет спроецировано очень чёткое изображение, с разрешением куда более высоким, чем возможно получить при одном лазере. Внутри этого изображения будут свои тёмные и светлые участки — будущие биты. При этом настройкой лазеров можно добиться того, что по паре фотонов получат всего несколько молекул в толще прозрачного материала, расположенных точно в той точке, где мы хотим записать очередную двоичную единицу. При этом целеуказание можно менять не только в плоскости диска, но и по его глубине, причём разницу между соседними слоями записи можно сделать очень маленькой, а число слоёв — большим (в первых опытах К. Белфилда это были 1 микрон и 33 слоя, соответственно). Для того, чтобы сохранить эту информацию, авторы придумали бихромофорный состав из молекул одной из производных флуорена и представителя класса диарилэтенов, которые реагируют на облучение той или иной частоты изменением своей формы.
Последнее вещество имеет два устойчивых изомера, так называемые открытый и закрытый типы. Вот вам и двоичные "ноль" с "единицей" на молекулярном уровне. При записи флуорен воспринимает фотоны и, словно гонец, передаёт полученную энергию диарилэтену, чтобы тот записал "единичку". Но главное, что требовалось придумать, — не как записывать информацию лазерами, а как ими же и считывать данные, причём чтобы они не стирались. Оказалось, что это легко сделать при помощи флуоресценции данного состава в ответ на облучение с определённой частотой.
Опыты показали, что надёжность считывания записи с такого диска остаётся безупречной даже после 10 тысяч циклов чтения, хотя всё же контраст по яркости отклика между "единичками" и "нулями" немного снижается.
Тем не менее, индуцированные изменения при этом могут быть зафиксированы как изменения абсорбции, флуоресценции, отражательной способности или электрических свойств материала в точке расположения бита. Такая технология позволит сохранять до 100 Гбайт информации на одном диске того же, что CD и DVD, размера. Одной из перспективных сред, которая может, например, абсорбировать или флуоресцировать при записи битов, является материал spirobenzopyran. Однако при комнатной температуре записанная в нем информация может храниться не более 20 часов. Неограниченно долго данный материал может сохранять информацию только при температуре -32°С, то есть при температуре сухого льда. Исследуется также возможность использования для двухфотонной записи фотохромного протеина bacteriorhodopsin и нитронафтиальдегида (rhodamine B).
Рис. 19. Упрощённая схема двухфотонной записи. Красным цветом показан лазер. Качающееся зеркало управляет изменением координат X и Y, а линза — фокусировкой лазерных лучей по глубине диска. Справа: запись происходит благодаря изменению состояния полимера при получении энергии от светочувствительного вещества. Внизу: благодаря настройке лазеров можно вести запись (а потом — чтение) в очень большом числе слоёв.
Однако чисто оптические методы записи, в которых среда для записи (или ее часть) расположена на заметном расстоянии от лазера, имеют одно важное ограничение — минимальный размер бита записываемой информации ограничен величиной /2. Это обусловлено дифракционными ограничениями. Даже при использовании голубого твердотельного лазера линейный размер одного бита информации может быть лишь около 215 нм. Таким образом чисто оптические методы позволят записывать в одном кубическом сантиметре не более 1014-1015 бит информации. При этом, для достижения в компьютерах плотности записи 1014 бит/см3 понадобится не менее 10 лет.
Заключение.
За последние несколько десятилетий наблюдался почти экспоненциальный рост возможностей микроэлектроники, основанной на кремнии. Однако в новом тысячелетии рост возможностей данной технологии существенно замедлится по двум причинам: во-первых, с уменьшением размеров ячеек памяти ограничивающую роль начинают играть фундаментальные физические законы, не позволяющие работать существующим структурам ячеек памяти; во-вторых, при применении специальных мер, устраняющих данные ограничения и повышающих степень интеграции устройств, экспоненциально повышаются затраты на их производство.
При использовании достижений нанотехнологии речь идет уже не об улучшении таких характеристик вычислительных систем, как объем, быстродействие и энергопотребление, а о создании новых принципов вычислений, свойственных биологической материи от природы. Такой подход, однако, в целом не исключает использования известных принципов электроники на молекулярном уровне.
Нанотехнологии позволят радикально изменить образ жизни человека. В дополнение к гигантскому росту плотности памяти она становится практически энергонезависимой, потребляющей мизерное количество энергии. В целом это позволит распространить действие закона Мура на XXI век.
Данный подход позволяет реализовать в будущем и второй закон Мура, который реже упоминается, но не становится от этого менее важным — уменьшение стоимости системы памяти пропорционально уменьшает стоимость производства изделия. Для этого необходимо решить чрезвычайно сложную задачу развертывания промышленного, конкурентоспособного производства компонентов на принципах нанотехнологии.
Наконец, разрабатываемые устройства должны в какой-то мере «вписаться» в существующее производство электронной аппаратуры и не требовать его полной реконструкции. Однако насколько все это близко к потребительскому рынку? Даже если ни одно из этих революционных решений не укрепится в ближайшее время в практической жизни, имеющиеся в настоящее время успехи в эволюционном развитии нанотехнологии достаточно впечатляющи. Реально практическое повсеместное применение устройств перспективной памяти можно ожидать уже в течение ближайших 5 – 10 лет. Сначала данные изделия будут применяться в исключительных случаях, когда им просто не найдется достойной альтернативы. Затем сфера их применения будет неуклонно расширяться.
<предыдущая страница