Технологии хранения и передачи информации

Появление наскальных рисунков и надписей свидетельствует о стремлении человека еще в древние времена сохранить свои наблюдения и знания и передать их потомкам. Позднее стали писать на глиняных пластинах, свитках папируса, бересте. Около 2 тысяч лет назад появилась бумага. Бумага много веков была самым распространенным хранителем информации, однако в век электроники бумагу потеснил компьютер.

Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие объем информации, накапливаемой человечеством. Одна книга среднего формата содержит около 1 млн байт информации. Библиотека Конгресса США хранит примерно 20 млн книг и 3,5 млн единиц звукозаписи, что вместе составляет 2 петабайта (1 Пбайт = 10¹⁵ байт). В мире ежегодно печатается около 0,1 Пбайт нового текста (без учета переизданий), 100 Пбайт приходится на телевизионные передачи. Даже без возможного продолжения этого перечня становится понятным, что человечество оказалось в колоссальном информационном океане. Информация стала постоянным спутником человека, информационные технологии прямо или косвенно касаются каждого из нас.

В развитии информационных технологий при любом подходе к постановке их целей и задач важнейшую роль играет совершенствование вычислительных средств. Первые машины, выполняющие арифметические операции, появились в XVII в. (устройство для сложения чисел Б. Паскаля и арифмометр В. Лейбница). В 1943 г. была создана аналитическая машина, выполняющая операции по заданной программе и накапливающая информацию. В развитии современных вычислительных средств различают несколько поколений, непосредственно связанных с открытиями в физике XX в. ЭВМ первого поколения (40-е – начало 50-х годов) базировались на электронных лампах. С применением полупроводниковых приборов связывают появление ЭВМ второго поколения (середина 50-х – начало 60-х годов). В конце 60-х годов появились ЭВМ третьего поколения, основанные на интегральных микросхемах. В 70-е годы были разработаны ЭВМ четвертого поколения с элементной базой на больших интегральных схемах. В настоящее время для создания ЭВМ следующих поколений модернизируется их элементная база, разрабатываются принципиально новые средства накопления, хранения и обработки информации.

Возможности персонального компьютера существенно расширяются с применением компьютерных сетей. Сеть представляет собой набор соединенных между собой ПК с периферийными и коммуникационными устройствами. Интернет – глобальная компьютерная сеть, охватывающая весь мир и обеспечивающая связь информационных сетей, принадлежащим различным пользователям в разных странах. Широко распространенным сервисом Интернета является электронная почта. При разумном подходе в выборе необходимой информации Интернет способствует всестороннему развитию личности.

Можно назвать множество примеров применения современных вычислительных средств: микропроцессорные системы для станков с программным управлением, промышленные роботы, автоматические рабочие места (например, АРМ бухгалтера) и т.д.

Область применения компьютера расширяется не только в результате увеличения механизмов, машин и других устройств, к которым он подключается, но и роста его “интеллектуальных способностей”. Информационно-поисковые системы и базы данных перерастают в базы знаний, развитию которых способствует Интернет. В базах знаний хранятся не только данные, но и правила вывода новых утверждений из уже имеющихся, т. е. база знаний сама способна порождать новые знания.

Альтернативные компьютеры

В модернизации элементной базы компьютеров, основанной на традиционном электронном принципе, есть фундаментальные ограничения, связанные с волновой природой микрочастиц. Для дальнейшего развития компьютерной техники нужны принципиально новые идеи. Одной из таких идей является создание квантового компьютера. Без достаточного знания квантовой механики трудно понять принцип работы такого устройства. Электрон атома водорода, например, представляет собой квантовую систему, которая может находиться в двух состояниях с противоположными направлениями спина. Его можно рассматривать, как квантовый бит или кубит,содержащий с равной вероятностью оба состояния. Работая с кубитом, можно одной командой обработать оба возможных состояния. Два кубита содержат уже четыре возможных состояния, три – восемь и т.д. Принципиально возможны и другие квантовые кубиты, различающиеся поляризацией (фотоны) или фазой (сверхпроводники). К настоящему времени достигнуты некоторые практические результаты. Так, группа ученых из исследовательского центра Almaden компании IBM выбрали молекулы, способные реализовать нужную логическую функцию. Водный раствор таких молекул помещался в сильное магнитное поле, кубитами служили направления намагниченности (спины) атомных ядер. Чтобы не нарушать когерентность системы, начальный набор импульсов задавался радиочастотными импульсами, а полученные результаты считывались при помощи метода ядерного магнитного резонанса. В 1998 г. в центре был собран двухкубитный компьютер, а в 1999 г. – трехкубитный. В 2001 г. продемонстрирована работа 7-кубитного компьютера. В качестве кубитов использовались спины пяти ядер фтора и двух ядер углерода. Остальные атомы и молекулы были подобраны так, чтобы обеспечить нужное взаимодействие между электронами и стабильность системы. В одной небольшой пробирке содержится 10¹⁸ молекул, каждая из которых может быть компьютером. Удалось найти простые сомножители числа 15 (как и следовало ожидать, это оказались числа 3 и 5). Однако для получения этого результата потребовалась всего одна молекула.

Другой перспективной альтернативой современным компьютерам является фотонный компьютер. В его основе лежит использование фотонов (квантов света). Фотонный компьютер обладает рядом преимуществ, связанных с особенностями распространения света. Световые лучи устойчивы к посторонним электромагнитным шумам, их передача может осуществляться на очень высоких частотах, при пересечении световые лучи не возмущают друг друга, что позволяет одновременно вести передачу и обработку потоков информации. Однако до сих пор не удалось разработать оптические аналоги электрических проводников и логических элементов. Оптические волокна или световоды, по которым уже достаточно давно научились передавать световые лучи, не удается вместить в маленькие объемы. Плотность упаковки электрических элементов значительно выше. В качестве логических схем для фотонов могут выступать зеркала, линзы и т.п., однако их размеры исключают возможность создания конкурирующих производительных процессоров. Практической основой, на которой в будущем будут реализованы все компоненты фотонного компьютера, могут стать т.н. фотонные кристаллы. Эти кристаллы способны пропускать или задерживать свет только с определенной длиной волны. Один из созданных образцов такого кристалла состоит из набора чередующихся кремниевых полос шириной 1,2 мкм, образующих своеобразную многоуровневую решетку. Эта решетка не выпускает инфракрасное излучение с длиной волны 10 мкм. Фотонные волноводы – одномерные фотонные кристаллы, позволяющие выделить из пучка световых лучей с разными длинами волн какой-либо один. Фотонный волновод способен изгибать световой луч на коротких расстояниях, что позволяет делать компоненты фотонного компьютера миниатюрными. Разработанные образцы фотонных кристаллов имеют микронные размеры, что представляет практический интерес для телекоммуникаций, связи и хранения информации. По-видимому, сначала появятся не фотонные компьютеры, а комбинированные устройства, в которых информация будет обрабатываться электронными логическими схемами, а храниться и передаваться в фотонных кристаллах.

Биокомпьютеры. Природой создан живой компьютер – молекула ДНК. В ДНК заложена программа, в которой с помощью набора генов реализуется нужный организму алгоритм, обусловливающий его специфику и особенности развития. Компьютер, работающий по такому по принципу, не смог бы заниматься сложными вычислениями, однако сумел бы перебрать массу вариантов и выбрать оптимальный. В качестве примера можно привести классическую “задачу коммивояжера” (выбор между несколькими городами маршрута с наименьшей длиной пути). Решение задач подобного типа имеет большое значение для оптимизации транспортных потоков. Доказана теоретическая возможность построения ДНК-компьютеров и проведены первые успешные эксперименты. Создано компьютерное биоустройство, способное отвечать на вопрос “да” или “нет”. Доля правильных ответов этого устройства составила 99,8 %.

Современная электроника по своим функциональным возможностям отстает от человеческого мозга почти на 10 порядков. Число элементов современной кремниевой интегральной схемы с линиями шириной 0,5 мкм эквивалентны лишь нескольким десяткам нейронов. Таким образом, реализовать предстоит еще громадные потенциальные возможности.

Одна из основных целей биокомпьютерных исследований – создание живых организмов, генетически программируемых для решения прикладных задач. Проведенные эксперименты показывают реальную возможность существования нейронно-кремниевых цепей.

Рассмотренные идеи создания альтернативных компьютеров интересны, но для практического воплощения этих идей в жизнь предстоит большая теоретическая и экспериментальная работа.

 

Микро- и нанотехнологии

В современном представлении электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями, о методах создания электронных приборов и устройств, используемых для передачи, обработки и хранения информации. Электроника возникла в начале XX века. Первым прикладным достижением этой науки было создание электровакуумных приборов, в том числе электронных ламп (диодов, триодов и т.д.). В 50-х годах прошлого века родилась твердотельная электроника – появились полупроводниковые диоды и транзисторы. В 60-х годах XX века появилось современное перспективное направление электроники – микроэлектроника, связанная с созданием приборов и устройств в миниатюрном исполнении с использованием групповой (интегральной) технологии.

Основу элементной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие функции блоков и узлов электронной аппаратуры. Основным материалом современной электроники является кремний. Отдельные компоненты интегральных схем строятся с использованием кремния, разные участки которого могут быть легированы различными примесями, в архитектуре схем используются диэлектрики и проводники. В первых интегральных схемах для создания контактов и разводок использовался алюминий.

Развитие электроники шло по пути уменьшения размеров устройств и повышения степени интеграции, размещения все большего числа элементов на меньшей площади кристалла – подложке интегральной схемы. Более 50 лет после создания первых интегральных микросхем выполнялся закон Мура: число транзисторов на кристалле удваивалось приблизительно каждые два года. При этом постоянно возникали проблемы замены материалов и выбора методов создания соответствующих элементов. Так, на определенном этапе при уменьшении размеров потребовалась замена алюминия на материал с более высокой проводимостью. Когда размеры интегральных схем стали приближаться к нанодиапазону, возникли проблемы с диэлектриками. При этом классические методы производства имеют свой естественный технологический и экономический барьер. При незначительном уменьшении размеров устройств экономические затраты возрастают экспоненциально. Следующим логическим шагом развития электроники и других наукоемких производств являются нанотехнологии.

Впервые термин “нанотехнология” употребил Н. Танигути еще в 1974г. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров (1 нм=10^–9м). В современном понимании нанотехнология − междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Наночастицами называют частицами размерами от 1 до 100 нм, нанообъектами − объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении. Нанообъекты делят на 3 основных класса: трехмерные частицы, двумерные объекты – пленки и одномерные объекты – вискеры (усики). Трехмерные нанообъекты обычно получают взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких пленок. Пленки получают методом молекулярного или ионного наслаивания. Одномерные нанообъекты получают, например, введением веществ в цилиндрические микропоры.

Поверхность нанообъектов чрезвычайно велика по сравнению с их объемом, поэтому в нанодиапазоне начинают проявляться размерные эффекты, вещество приобретает новые свойства. Наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства.

Новый раздел химии – супрамолекулярная химия – пытается найти способ заставить наночастицы группироваться определенным образом, самоорганизоваться в нужные структуры.

В рамках данного пособия невозможно изложить имеющийся теоретический и экспериментальный материал, связанный с нанообъектами и современными нанотехнологиями. Наиболее интересные и важные вопросы могут быть рассмотрены на семинарских занятиях.

 

Лазерные технологии

Большое значение для развития современной науки и техники имело создание оптических квантовых генераторов (лазеров), представляющих собой принципиально новые источники электромагнитного излучения. Фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера–лазера, было отмечено в 1964 г. Нобелевской премией по физике (Н. Басов, А. Прохоров, Ч. Таунс).

Для понимания принципа действия лазера необходимо познакомиться с понятиями спонтанного и вынужденного излучений.