Нанотехнологии. В нанотехнологиях размер объектов измеряется в нанометрах (нм)

В нанотехнологиях размер объектов измеряется в нанометрах (нм). 1 нм = 10^{-9 м. То есть это одна миллиардная часть метра. Согласно определению, нанотехнологиями называются технологии работы с объектами, размер которых хотя бы в одном измерении не превышает 100 нанометров.}

Это не обязательно компьютерные технологии. Например, получено много поверхностей с ультратонкими слоями в несколько атомов, которые обладают уникальными свойствами: одни химически инертны, другие обладают очень низким трением, на третьих не задерживается грязь. Существуют тонкие и очень прочные нанонити, наночастицы, в которых, как в закрытой банке, можно хранить газы (водород). И множество других наноструктур с уникальными свойствами.

Таким образом, приставка «нано» означает не новое или современное, а очень небольшое по размеру.

Современные нанотехнологии позволяют создавать элементарные ячейки микрочипов размером порядка 100 нанометров. Из таких ячеек построены электрические схемы различных микрочипов (микросхем). В одной ячейке хранится элементарный квант информации: двоичный 0 или двоичная 1. Сейчас имеется несколько стандартов для элементарных ячеек микросхем:

· 130 нм – хорошо освоенная, даже устаревшая технология;

· 40 нм – современная технология;

· 18 нм – перспективная, осваиваемая технология.

Радиус атома кремния, из которого в основном состоят микрочипы, равен 0,13 нанометров. Получается, что в микросхеме по технологии 130 нм отдельная ячейка имеет объем 500х500х500 атомов. А 40 нм будет соответствовать 150х150х150 атомов.

К микросхемам, где используются нанотехнологии, относятся процессор и другие чипы материнской платы, оперативная память, флэш-память и многие другие устройства компьютера. Именно нанотехнологии позволяют создавать устройства с производительностью в несколько миллиардов операций в секунду, с объемом памяти в триллионы байт.

Такие устройства имеют очень сложную структуру, они состоят из миллиардов элементов, имеющих разветвленные связи друг с другом. Человеку не под силу детально спроектировать такую структуру – только общие принципы архитектуры и взаимодействие достаточно крупных блоков. А создание конкретных структурных единиц осуществляется автоматически, с использованием промышленных роботов.

Причем воспроизвести современные, достаточно сложные микрочипы давно уже практически невозможно. Легче создать собственные микросхемы, пригодные для решения поставленных задач. Так, в 80-х годах прошлого века компанией Intel были разработаны для использования в ПК процессоры марки 286. Их технические характеристики были в сотни раз хуже современных процессоров, но для того времени это была самая передовая техника.

И вот одна тайваньская фирма захотела создать копию этого процессора. Копирование проводили следующим образом: срезали очень тонкий микрослой, сканировали открывшуюся структуру, потом срезали новый слой, сканировали и так далее. Операцию проводили в 3-х плоскостях, при сопоставлении слоев получилась точная объемная копия процессора. На эту работу пришлось затратить около 5 лет, а за это время Intel разработала сначала 386-е процессоры, а затем 486-е. Посмотрели тайваньские специалисты на 486 процессор, и поняли, что на расшифровку его структуры потребуется около 20 лет. А за это время расшифрованная структура безнадежно устареет. То есть работа лишается смысла.

Еще одна интересная особенность: для создания микрочипов не требуется значительного количества дорогих, дефицитных материалов. Основной материал, из которого состоят чипы – это кремний. Плюс небольшие количества добавок для создания нужного типа проводимости. А кремний является одним из самых распространенных элементов на нашей планете: песок, камень, земля обычно содержат 20-45 масс% кремния.

Берут песок, выделяют из него чистый кварц (оксид кремния, SiO₂), затем кремний. Из кремния вытягивают монокристаллы, это совершенные кристаллы, не имеющие дефектов. Монокристаллы режут, получая заготовки для производства чипов. А песок можно найти в избытке везде: в Калифорнии, Сингапуре и любом другом месте.

А дальше создают структуру процессоров и прочих микрочипов, внося на микроучастки точно дозированные количества микропримесей. Таким путем получают диоды, транзисторы, конденсаторы, сопротивления и прочие компоненты электрической схемы, имеющие наноразмеры.

К сожалению, в компьютерных технологиях за десятки лет разработки по многим позициям достигли физических пределов, диктуемых законами природы. Сейчас ведется работы по поиску принципиально новых элементов вычислительной техники, которые позволят работать с отдельными атомами, и даже внутри атома, что обеспечит радикальное повышение производительности.

2. Компьютерная графика