<<
>>

Применение НТ

Постоянно возрастающий интерес к возможностям НТ объясняется, прежде всего, их двумя следующими особенностями. Во-первых, новые технологии чрезвычайно привлекательны в силу своей объединяющей, «собирательной» природы, так как НТ возникли на основе и в результате развития новейших технических областей, типа биотехнологии и микроэлектроники.

С другой стороны, если предположить, что основы НТ действительно не противоречат законам природы, то потенциал и технические возможности НТ, вообще говоря, представляются фантастическими. Разумеется, для развития и реального применения НТ необходимо существенно повысить уровень наших знаний о законах природы, что, возможно, потребует длительного развития науки, не говоря уже о том, что результаты развития новых технологий и идей почти наверняка будут существенно отличаться от планов и желаний футурологов и экспертов. История науки и техники постоянно демонстрирует нам примеры значительной разницы между потенциальными целями и реальными достижениями.

Огромная роль НТ в наши дни связана не столько с уже достигнутыми результатами и конкретными применениями, а с множеством потенциально предлагаемых возможностей, которые могут означать переоценку многих приоритетов в науке и технике. Реальные перспективы НТ очень сложно оценить, ввиду междисциплинарного характера исследований и их возможных научно-технических применений. В сущности, сейчас идеи и возможности НТ широко «разбросаны» по различным наукам и у нас нет четких критериев их объединения.

Электроника и информационные технологии

Прежде всего, следует привести несколько цифр, свидетельствующих о масштабах рассматриваемых и обсуждаемых производств. По данным на 2005 год объем рынка только электронных компонентов составлял более 250 миллиардов долларов, а всех коммерческих продуктов на основе микроэлектроники — более 1,5 триллиона долларов.

Примерно 95% всех интегральных схем сейчас производятся на основе кремниевых технологий, так что в 2002 году было обработано 27 миллиардов квадратных сантиметров кремния (это соответствует площади примерно 500 футбольных полей), и только стоимость исходных материалов равна около 6 миллиардов долларов. Эти невероятные по стоимости и масштабам результаты были достигнуты за счет продолжавшегося десятилетия процесса неуклонной миниатюризации электронных устройств и компонентов. Важнейшими вехами на этом пути явились, как известно, разработка первого компьютера на основе электронных ламп (ENIAC, 1945), изготовление первого транзистора (Bell Laboratories, 1947), выпуск первого компьютера на транзисторах (TRADIC, 1955), разработка первой интегральной схемы (Texas Instruments and Fairchild Semiconductor, 1959), появление первого миникомпьютера (DEC, 1965) и, наконец, сборка микропроцессора (Intel, 1971).

Грубо говоря, один мегабит памяти в запоминающем устройстве (чипе) 1973 года обходился потребителю в 75 000 долларов, а за следующее десятилетие его стоимость снизилась до 90 долларов. В 1995 году она составляла уже 3 доллара, а сегодня равна всего 5 центам. Эта тенденция легко объясняется действием упомянутого в главе 3 закона Мура, в соответствии с которым количество транзисторов на одном чипе примерно удваивается за каждые 18 месяцев. Действительно, в 1970 году число транзисторов на чипе составляло примерно 4000, через двадцать лет — около миллиона, а к 2007 году на один процессор приходился почти миллиард транзисторов. Этому невероятному росту плотности компоновки полупроводниковых схем сопутствовало постоянное уменьшение характерных размеров самих схем, в -оггр чего достигаемая сегодня структурная топологичес- ••итягральных схем в чипах составляет -"’'«ют, что вследствие

- "ИИ-

ЗИТСЯ припк.,

ца схемы будет содержать вес»». .

Основой современных процессов изготовлеп.,.. ных схем (как и почти 50 лет назад) остается фотолитография, которая сегодня имеет дело с длинами волн в глубоком ультрафиолете (193 нм, дальний ультрафиолет).

Переход к следующей ступени в 157 нм уже начался и найдет применение примерно к 2008 году, и очевидно, что в следующие годы начнет применяться литография с невероятно высоким по частоте ультрафиолетовым излучением (11-13 нм). Разумеется, следует учитывать, что в новых методиках нельзя будет использовать многие классические оптические элементы (например, линзы), и вместо них появятся специальные зеркала.

В 60-е годы размеры используемых пластинок кремния составляли, как правило, 30 мм и лишь иногда достигали 38 мм. В настоящее время высококачественные кремниевые пластины производят лишь три фирмы в мире (причем только одна из них, Wacker Siltronic, не является японской), и они умеют создавать пластины размером до 300 мм. Легко понять, что простое увеличение размеров от 200 до 300 мм позволяет значительно (в 2,25 раза) повысить экономический эффект их использования, так как такое увеличение площади позволяет произвести более чем вдвое большее число чипов при практически идентичных темпах и методах обработки. Будучи одной из ведущих организаций в данной области, немецкая фирма Infenion (финансируемая Дрезденским банком) в конце 2001 года занялась производством кремниевых пластин размером 300 мм, что потребовало инвестиций в размере 1,1 миллиарда евро. Результатом этой инициативы стало производство запоминающих чипов (SDRAM) емкостью 256 мегабит, в которых на площади в 64 мм2 размещается 540 миллионов элементов. В 2004 году фирма Wacker Siltronic ввела в эксплуатацию производственную линию во Фрайберге, производящую до 60 000 пластин размером 300 мм, а запланированный объем производства должен достигать 150 000 пластин в месяц. Крупнейшим в мире рынком сбыта и использования таких кремниевых пластин является Тайвань.

Исключительно быстрое техническое и экономическое развитие микроэлектроники, в сущности, было обусловлено положительной обратной связью: электроника помогает развивать саму электоонику. а компьютеры помогают создавать новые

типы компьютеров.

В такую цепочку отношений (с положительной обратной связью) должны быть интегрированы и любые новые подходы, особенно связанные с НТ. Представляется очевидным, что любые конкретно запланированные разработки должны основываться на тех, уже существующих стратегиях производства и принципах функционирования, и на той базе, которые позволяют осуществлять дальнейшее уменьшение топологических размеров. Уже сегодня некоторые отдельные параметры элементов электронных устройств (например, ширина каналов в полевых транзисторах), несомненно, могут быть отнесены к области нанотехнологий. В этих ситуациях дальнейшее повышение точности элементов не требует смены парадигм в отношении принципов действия этих элементов, а сводится лишь к очень или исключительно сложным техническим проблемам (например, при разработке подходящих литографических методов и т. п.). В этом смысле и общем направлении развития микроэлектроника, непрерывно совершенствуясь, постепенно перерастает (точнее, превращается) в наноэлектронику.

Именно поэтому микроэлектроника, представляющая собой огромный сектор мировой экономики и промышленности, не может за исторически короткий срок делать ставку на новые принципы работы или использование абсолютно новых материалов. Огромные инвестиции в полупроводниковую промышленность предполагают некоторые гарантии планирования и экономической стабильности финансируемых производств (то есть в отношении конфигурации и принципов действия выпускаемых изделий), что практически исключает очень быструю реализацию новаторских идей и технических проектов гигантских масштабов. С практической точки зрения, нанотехнологии могут приобрести реальную значимость лишь после их совмещения с уже существующими производственными процессами, что требует длительного, эволюционного пути развития.

С другой стороны, необходимость смены парадигм в конкретных направлениях становится неизбежной, так как НТ действительно иногда имеют огромные преимущества перед классическими подходами микроэлектроники, и в некоторых частных областях эти преимущества являются сегодня абсолютно очевидными.

Например, исследователям и технологам совершенно очевидными представляются огромные возможности промышленного применения фуллеренов (и вообще, углеродных нанотрубок), а разработки эмиттеров электронов в плос-

ких мониторах на этой основе уже находятся в стадии практического проектирования. Еще один пример конкретной смены парадигмы в выделенном направлении связан с созданием запоминающих устройств (чипов) с ферромагнитными запоминающими ячейками. Такие устройства являются энергетически независимыми (то есть сохраняют информацию при отключении питания и способны к «мгновенному» запуску). Более того, они остаются энергонезависимыми и при дальнейшем уменьшении размеров (расчеты показывают, что нижняя граница их величины может быть доведена примерно до 25 нм), что позволяет продолжать их миниатюризацию. Коммерческий выпуск таких устройств был начат в 2004 году, и они могут стать важным компонентом при разработке так называемых реконфигурируемых логических элементов. В современных микропроцессорах транзисторы как бы жестко «прошиты», что не позволяет изменять схемы их включения для решения новых задач, поэтому существенным прогрессом в этой области является создание схем переключения транзисторов для быстрого реконфигурирования разных систем (например, образования видеопроцессоров из аудиопроцессоров), что стало бы настоящей революцией в производстве множества устройств.

Важнейшую роль в дальнейшем развитии оптоэлектронных компонентов электроники играет невероятный рост объема потоков данных в Интернете. При создании сети Интернет пропускная способность его линий составляла около 1 терабита в секунду (1018 бит/с, что соответствует примерно содержанию 300 000 книг обычного формата), но увеличение объема информационных потоков происходило настолько стремительно, что уже в 2005 году в США началось использование частотных полос с пропускной способностью около 280 терабит/с. С другой стороны, управление такими большими массивами данных может осуществляться только на основе оптоэлектронных устройств, что, конечно, придает огромную значимость разработкам и проектам промышленного производства лазерных диодов, а также подразумевает развитие целого ряда новых НТ.

В целом, эксперты предсказывают в ближайшее время развитие целого ряда инновационных проектов, связанных с практическим использованием НТ, среди которых следует отметить следующие:

— непрерывный и незаметный контроль за важными для здоровья функциями организма; информационные, коммуникативные и развлекательные приборы личного пользования с расширенными мультимедийными функциями (вплоть до создания индивидуальной виртуальной среды); безопасное и точное распознавание различных биометрических признаков; обеспечение повышенной безопасности автотранспорта за счет внедрения полного контроля состояния на дорогах; обеспечение безопасности и электронного оснащения среды обитания; создание простых и надежных связей между человеком и техническими устройствами.

Выводы: В ближайшем и скором будущем в электронных и информационных технологиях следует ожидать широкого внедрения новых материалов в устройствах, методы и принципы действия которых не будут существенно отличаться от современных. Речь идет, прежде всего, о широко используемой сегодня так называемой кремниевой технологии, в которой практически уже применяются методики и достигаются параметры, которые мы относим к НТ, причем смена парадигм развития при этом часто вовсе не является обязательной. Нанотехнологии уже позволяют получать новые коммерческие продукты, хотя очень трудно предсказать, когда будут реализованы самые новаторские подходы, относящиеся, например, к синтезу органических и биологических материалов или созданию так называемых квантовых компьютеров. Можно быть уверенным, что подобные технологии станут экономически рентабельными и быстро найдут широкие и разнообразные практические применения. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме Применение НТ:

  1. 1. Применение риэлторскими организациями бланков строгой отчетности
  2. Области применения каменных облицовочных изделий.
  3. тельствами. Примечание 2 Цель дифференциального исчисления, вытекающая из его применения
  4. § 7.5.2. Практика разрешения споров, возникающих в связи с применением законодательства о рекламе
  5. § 2. Применение права. Стадии процесса применения права
  6. Статья 1187. Квалификация юридических понятий при определении права, подлежащего применению
  7. Статья 1197. Право, подлежащее применению при определении гражданской дееспособности физического лица
  8. Статья 1211. Право, подлежащее применению к договору при отсутствии соглашения сторон о выборе права
  9. 17.2. Применение закона и подзаконных актов
  10. § 1. Понятие применения уголовного закона и его стадии
  11. § 5. Применение к несовершеннолетним принудительных мер воспитательного воздействия
  12. § 2.10. Психологические особенности боевых действий военнослужащих в различных видах боя и в условиях применения ОМП.
  13. Упражнения с применением тренажеров
  14. 1.1. Историко-педагогический анализ развития подготовки будущих учителей к профессиональной деятельности с применением медиа- образовательных технологий
  15. 1.3. Сущность подготовки будущих учителей филологических специальностей к профессиональной деятельности с применением медиа- образовательных технологий