Глава I нанотехнологии в информационных технологиях

Вид материала

Содержание

Работа с информацией – главное умение человека в современном мире!
Нанотехнологии в информационных технологиях
Мобильные компьютеры
Нанотехнологии и экология
Будет повышен уровень

Подобный материал:

Оглавление

Введение…………………………………………………………………....….3

Глава I Нанотехнологии в информационных технологиях……..................5

1.1 Предпосылки противоречий в информационном мире……….….….5

1.2 Современные средства обработки информации…………..….…..…..6

Глава II Нанотехнологии……………………….………….…..................…. 7

2.1 Понятие нанотехнологий…………………………………….…....…..7

2.2 Нанокомпьютеры…………………………………………….…..……8

2.3 Нанотрубки……………………………………………………....……9

2.4 Нанопроцессор…………………………………………………..…..11

2.5 Внутренняя нанопамять………………………………………….…11

2.6 Внешняя память.

Винчестер (HDD)…………………………….…..12

2.7 Наноконденсаторы……………………………………………….…..12

Глава III Нанотехнологии и экология……………………..…………..…..14

Глава IV Заключение………………………………………………............ 14

Глава V список используемой литературы ссылок………………….......15

ВВЕДЕНИЕ

Работа с информацией – главное умение человека в современном мире!

Цель работы:

Мне хочется показать в своей работе необходимость внедрения новых технологий в информационный процесс в связи с возникшими противоречиями между возрастающими объемами информации и средствами её обработки, накопления и передачи.

Элементная база давно стоит на одном месте. Я заинтересовался новыми подходами, которые могут быть применены при создания технических средств.

В современном мире объем знаний удваивается каждый год и чтобы успеть обработать и передать лавинообразное нарастание информации необходимо предоставить средства обработки, передачи и накопления, отвечающие таким требованиям. Компьютер – универсальное устройство обработки информации. Информационные сети создают реальную возможность быстрого и удобного доступа пользователя ко всей информации, накопленной человечеством за свою историю.

На данном этапе информацию обрабатывают современные компьютеры. Спешка в переходе на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя и создавать что-то принципиально новое, более инновационное, на старой основе невозможно.

Сегодняшние процессоры имеют в кристалле уже миллиарды транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в тысячу раз.

В настоящее время мировой лидер в производстве чипов — компания Intel работает по 65-нанометровой технологии, однако даже она еще очень далека от подлинных нанотехнологий.

Сегодняшние процессоры имеют в кристалле уже миллиарды транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в тысячу раз. Цель будущего десятилетия — создать процессор, имеющий более триллиона транзисторов.

Причем нанотехнологии позволят увеличить интеграцию и вычислительную мощность не только за счет уменьшения самих транзисторов, но и благодаря их пространственному расположению.

Майкл Козицки, который развивает данное направление научных исследований в Университете Аризоны, уверен, что наноустройства хранения данных заменят абсолютно все жёсткие диски в мире. Они будут лучше по всем параметрам: не такие хрупкие, более компактные, более быстрые, с атомарной плотностью записи. Они будут загружаться мгновенно и почти не потреблять энергии.

Дальнейший технологический процесс, как правило, невозможен при использовании традиционных инструментов и материалов. Значение, которое сегодня во всем мире отводится развитию нанотехнологий при поддержке государства и частных компаний, свидетельствует о приоритетном развитии этой отрасли.

Нанотехнологии - это новый уровень развития техники. 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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

5 декабря 2008 года. Интервью Жореса Алферова: «Следующий этап развития - это наноэлектроника. Основой развития наноэлектроники являются полупроводниковые гетероструктуры, которыми я занимаюсь около 50 лет».

Цилиндрические неизогнутые нанотрубки образуются из повторяющихся углеродных шестиугольников. Если углеродный шестиугольник заменить, например, на пятиугольник, семиугольник или на два таких дефекта, нанотрубка изогнется. С изменением ориентации шестиугольников по отношению к оси нанотрубки меняется ее электронный спектр, положение уровня Ферми, ширина оптической щели и т.п. Эта изогнутая нанотрубка должна представлять собой молекулярный гетеропереход металл-полупроводник.

На сегодняшний день внедрение нанотехнологий является очередным этапом в развитии информационных технологий. Это необходимость в развитии дальнейшей науки.

В перспективе на будущее нанотехнологии будут внедрены в повседневную жизнь человека, т.е. будет произведена эволюция информационных технологий, что в свою очередь позволит выйти на новый уровень работы с информацией.

Глава I НАНОТЕХНОЛОГИИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Предпосылки противоречий в информационном мире

На сегодняшний день развитие информационных технологий достигает своего пика, для дальнейшего их развития, необходимо внедрение нового. Таким новшеством являются нанотехнологии. Именно этот вид технологий поможет дальнейшему развитию информационных технологий.

Вещество, энергия, информация - фундаментальные понятия современной науки. Они составляют основу современного мира. Информация нужна человеку для того, чтобы принимать правильные решения.

С информацией связано такое понятие, как информационный кризис - возрастающие противоречие между объемами накапливаемой информации и ограниченными возможностями её обработки. Человек не может справиться с такой лавиной информации, следовательно, необходимы специальные средства и методы её обработки, хранения и использования.

С XV-XIX века объем знаний удваивался каждые 50 лет, но с внедрением информационных технологий в жизнь объем знаний стал удваиваться каждый год. [1]

Рис 1. Рост объема знаний за последние годы

1.2 Современные средства обработки и накопления информации

Н

а фотографиях приведены некоторые современные средства обработки и накопления информации:

Суперкомпьютеры. В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью Такие машины используются для работы с приложениями, требующими наиболее интенсивных вычислений (например, прогнозирование погодно-климатических условий,

моделирование ядерных испытаний

Микрокомпьютер - Встраиваемые системы (embedded system (англ.)) управления (например, в бытовую технику или автомобили).

Мобильные компьютеры. (Ноутбуки.) Компактные компьютеры, содержащие все необходимые компоненты (в том числе монитор) в одном небольшом корпусе и, как правило, складывающемся в виде книжки. Приспособлены для работы в дороге, на небольшом свободном пространстве.

Характеристики компьютера с каждым годом изменяются в сторону их увеличения, уменьшается размер устройств. В таблице приведены сравнительные характеристики персонального компьютера

	Характеристики компьютера 80-х гг. XXв.	Характеристики современного компьютера
Тактовая частота процессора	16 МГц	4 ГГц
Разрядность процессора	32 Бит	64 Бит
Оперативная память	4 Мбайт	4 Гбайт
Жесткие диски (HDD)	80 Мбайт	2 Тбайт

Однако уже достаточно давно было обнаружено, что современные компьютеры не могут справиться с некоторыми очень важными задачами. Примерами таких задач являются поиск в неструктурированной базе данных, моделирование эволюции квантовых систем, факторизация больших чисел и т.д. И класс не решаемых задач будет возрастать.

Рис. 2 Динамика изменения характеристик технических средств
за последние годы

Для уменьшения или даже ликвидации противоречий между объемами накапливаемых знаний и ограниченными возможностями их переработки и передачи требуются новые технологии.

Глава II НАНОТЕХНОЛОГИИ

2.1 Понятие нанотехнологии

Одним из направлений, и на сегодня самым перспективным, являются нанотехнологии.

Нанотехнология - отрасль молекулярной технологии, ориентированная на получение устройств, роботов, веществ с наперед заданной молекулярной структурой, производя их атом за атомом.

Практически же нанотехнология решает следующие задачи (на сегодня):

- Создание твердых тел и поверхностей (материалов и пленок) с измененной молекулярной структурой. На практике это даст сверхпрочные металлы, ткани, пластмассы; самовосстанавливающиеся материалы.
- Создание новых химических веществ посредством составления молекул (без химических реакций). Это даст массу новых лекарств (в ближайшие 10-20 лет, которые врачи будут "конструировать" исходя из болезни. Также создание биологически совместимых полимеров, в основном на базе углерода. Это потребуется для наномедицины. Нанороботы должны приниматься организмом как "свои" и не провоцировать "атаки" антител.
- Создание сверхпроводников нового типа, т.н. сверххолодных. Также - коммуникационных линий: нанотрубки, ДНК 4G. (ДНК 4G – обыкновенная ДНК, в которой гуаниновые основания заменены на проводящие или непроводящие участки, что позволит получить структуру с различной электропроводимостью).
- Создание нанокомпьютера. Дальнейшая миниатюризация и радикальное повышение вычислительной мощности.
- Создание прецизионных (точных) наноманипуляторов и т.д.

Способность упорядочивать атомы лежит в основе технологии.

Микросхемы имеют части, измеряемые в микрометрах - то есть в миллионных долях метра, но молекулы измеряются в нанометрах (в тысячу раз меньше). Мы можем использовать термины "нанотехнология" и "молекулярная технология" взаимозаменяемо для описания нового вида технологии. Разработчики новой технологии будут строить и наносхемы, и наномашины.

Если атом был бы размером маленького мраморного шарика, довольно сложная молекула была бы размером с кулак. Это дает полезный мысленный образ, но на самом деле атомы около 1/10.000 размера бактерии, а бактерия - около 1/10.000 размера комара".

2.2 Нанокомпьютеры

Ассемблеры принесут одно крупное достижение очевидной и фундаментальной важности: инженеры будут их использовать, чтобы сократить размер и стоимость микросхем компьютера и ускорить их функционирование на много порядков. С сегодняшней балк-технологией инженеры делают схемы на кремниевых чипах, обстреливая их атомами и фотонами, но схемы остаются плоскими и неизбежны дефекты молекулярного масштаба. С ассемблерами, однако, инженеры будут строить схемы в трех измерениях и строить с точностью до атома.

Однако с компонентами шириной в несколько атомов, простой механический компьютер поместился бы в 1/100 кубического микрона, т.е. оказался бы во много миллиардов раз более компактным, чем сегодняшняя так называемая микроэлектроника. Даже с миллиардом байт памяти наномеханический компьютер мог бы поместиться в коробочку шириной один микрон, т.е. размером с бактерию.

Электронные нанокомпьютеры будут в тысячи раз быстрее чем электронные микрокомпьютеры, в сотни тысяч раз быстрее...

Молекулярные компьютеры будут управлять молекулярными ассемблерами, обеспечивая быстрый поток инструкций, необходимых, чтобы направить размещение крупных совокупностей атомов.

Предложенные молекулярные технологии аналогично опираются на широкую базу знания химических связей, статистической механики, а также физики в целом. Молекулярные машины будут построены из идентичных уже готовых атомных частей, которые нужно только собрать.

2.3 Нанотрубки

5 декабря 2008 года. Интервью Жореса Алферова: «Следующий этап развития - это наноэлектроника. Основой развития наноэлектроники являются полупроводниковые гетероструктуры, которыми я занимаюсь около 50 лет»

Цилиндрические неизогнутые нанотрубки образуются из повторяющихся углеродных шестиугольников. Если углеродный шестиугольник заменить, например, на пятиугольник, семиугольник или на два таких дефекта, нанотрубка изогнется. С изменением ориентации шестиугольников по отношению к оси нанотрубки меняется ее электронный спектр, положение уровня Ферми, ширина оптической щели и т.п. Эта изогнутая нанотрубка должна представлять собой молекулярный гетеропереход металл-полупроводник.

Если рассматривать данные куски нанотрубки изолированно, с разных сторон относительно изгиба электроны на уровне Ферми обладают разной энергией. В единой системе выигрыш в энергии приводит к перетеканию заряда и образованию потенциального барьера. Электрический ток в таком переходе течет только в том случае, если электроны перемещаются из области нанотрубки с большей энергией Ферми в область с меньшей. Иначе говоря, ток может течь только в одном направлении.

Итак, нанотрубки в зависимости от образующего их «узора» молекул могут проявлять различные электронные свойства (от металлов до полупроводников). Поэтому с новыми материалами многие связывают будущее электроники: не исключено, что на основе углеродных нанотранзисторов будут работать и память, и процессоры, которые придут на смену кремниевым. Это позволяет крупнейшим компаниям — производителям электронных компонентов делать заявления о скором наступлении «посткремниевой эры» в радиоэлектронике. Переход с кремния (основного материала в производстве современных полупроводниковых устройств) на нанотрубки может произойти в ближайшие 10-15 лет. В декабре 2005 года от имени Международного комитета производителей было опубликовано официальное сообщение InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors, в котором говорилось о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. Производители из Японии, Европы, Кореи, США и Тайваня планируют в ближайшее время разработать и начать реализовывать объединенный план перехода на новую технологию. Причем спешка в переходе на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя и создавать что-то принципиально новое, более инновационное, на старой основе невозможно.

Современная электроника по мере миниатюризации уже столкнулась с серьезной проблемой, которую условно называют «тиранией межсоединений». То есть нынешняя полупроводниковая микроэлектроника, несмотря на достигнутый прогресс, фактически остается планарной (плоской) и позволяет осуществлять очень ограниченное число уровней металлизации для формирования соединений между элементами. Такая технологическая особенность не только сдерживает развитие интегральных схем с большим числом элементов, но и не дает возможность аппаратно воплотить исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.

Рис. 3 Изображение нанотрубки (снятое электронным микроскопом с большим увеличением)

Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. И в настоящее время в развитии нанотехнологий наступил наконец такой этап, когда первые результаты, скорее показывающие потенциальные возможности нанотехнологий, начинают сменяться промышленными разработками, которыми можно пользоваться для серийного создания наноэлектронных схем.

Комитет IEEE, чтобы ускорить процесс создания индустриальных стандартов в нанотехнологии, запустил инициативу NanoelectronicsStandardsRoadmap, основная цель которого — перенести инновации в наноэлектронике из лабораторий на консьюмерский, информационный, коммуникационный и оптоэлектронный рынки.

Первое собрание по инициативе IEEE было проведено в начале прошлого года, и на нем определились конкретные области применения, а также начата работа по стандартизации технологий. Собрание обозначило требования к наноматериалам, механизмам, функциональным блокам и приложениям. В конце 2006 года был представлен отчет IEEE, где перспективам применения углеродных нанотрубок отведена значительная часть плана. Самый первый наноэлектронный стандарт называется IEEE 1650 (StandardTestMethodsforMeasurementofElectricalPropertiesofCarbonNanotubes). Сейчас нанотехнология уже набрала достаточный потенциал, чтобы выйти на уровень коммерческого применения.

2.4 Нанопроцессор

Человечество с каждым днем производит все больше информации, и до сих пор рост вычислительных мощностей происходил в соответствии с так называемым законом Мура. Напомним, что согласно этому закону, сформулированному когда-то Гордоном Муром (GordonMoore), число транзисторов на кристалле должно удваиваться каждые 18-24 месяца. В настоящее время мировой лидер в производстве чипов — компания Intel работает по 65-нанометровой технологии, однако даже она еще очень далека от подлинных нанотехнологий. Сегодняшние процессоры имеют в кристалле уже миллиарды транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в тысячу раз. Цель будущего десятилетия — создать процессор, имеющий более триллиона транзисторов.

Причем нанотехнологии позволят увеличить интеграцию и вычислительную мощность не только за счет уменьшения самих транзисторов, но и благодаря их пространственному расположению.

Кстати, компания Fujitsu уже предложила радиаторы для охлаждения мощных процессоров на основе все тех же нанотехнологий.

2.5 Внутренняя нанопамять.

Американская компания Nantero (ro.com/) готовит к выпуску новый тип памяти для компьютеров, в котором используются нанотехнологии. Эту разновидность памяти компания назвала NRAM (Nanotube-based/Nonvolatile RAM, что означает «память с произвольным доступом, базирующаяся на нанотрубках и не требующая постоянного питания»).

Новые чипы будут не только более емкими по сравнению с традиционной памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными (кстати, ее энергонезависимость позволит использовать такую память и в качестве долговременных накопителей информации). Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, производителем микросхем и полупроводниковых устройств. Ее представитель отметил, что первые промышленные образцы NRAM должны появиться уже в текущем году.

Nantero, Inc. активно занимается разработкой новых технологий, в частности уделяет серьезное внимание поиску способов создания энергонезависимой оперативной памяти (RAM) на основе углеродных нанотрубок. Компания Nantero выступила с заявлением о разработке элементов памяти принципиально нового образца, созданных на основе нанотехнологий, еще в 2003 году. По утверждению компании, NRAM будет иметь значительные преимущества по сравнению с другими видами памяти: будет существенно быстрее и плотнее по записи, чем DRAM, будет потреблять меньше энергии, чем Flash и DRAM, а также будет обладать высокой стойкостью к воздействию температуры и магнитных полей. Специалисты выражают надежду, что за несколько лет инженерам Nantero удастся добиться плотности записи, в тысячу раз превышающей сегодняшние RAM, а также в сто раз большей скорости считывания.

2.6 .Внешняя память.

Винчестер (HDD)

Интересно, что известнейший производитель жестких магнитных дисков (винчестеров) компания Seagate запатентовала технологию повышения плотности записи, которая также использует нанотрубки, правда уже в качестве «смазывающего» слоя. Дело в том, что плотность записи можно повысить и путем сокращения зазора между головками чтения/записи и магнитной пластиной. Seagate предлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитными пластинами, разделив их тончайшим слоем «смазки» на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать ту часть пластины, с которой должна «контактировать» головка для повышения точности позиционирования магнитных доменов.

Предполагается, что таким образом можно будет создавать

довольно компактные и одновременно достаточно дешевые

накопители информации емкостью в сотни и тысячи терабайт.

Для ознакомления с возможностями новых технологий был приведён пример достигаемой плотности хранения, при которой контент 250 DVD можно разместить на носителе, не превышающем размерами монету.

2.7 Наноконденсаторы

Аккумуляторы заменят на наноконденсаторы

Ученые из Массачусетсского технологического института (MIT) полагают, что батареи на основе нанотрубок скоро заменят традиционные литий-ионные (Li-Ion) и никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. В отличие от современных аккумуляторов для мобильных телефонов и ноутбуков, батареи на основе нанотрубок будут заряжаться за несколько минут и количество циклов зарядки/разрядки будет практически не ограничено.

Устройство, которое создали ученые из лаборатории электромагнетизма и электронных систем MIT, представляет собой по сути не аккумулятор, а наноконденсатор, то есть конденсатор, электроды которого покрыты слоем нанотрубок для увеличения их эффективной площади (а соответственно и емкости). Причем такой конденсатор будет разряжаться не мгновенно, а за несколько часов, что позволит использовать подобное устройство в качестве аккумулятора в мобильных компьютерах и ноутбуках.

Полученные экспериментальные образцы суперконденсаторов (так назвали этот тип устройств) однозначно свидетельствуют о том, что количество циклов зарядки/разрядки до заметного снижения функциональности может достигать нескольких сотен тысяч (при этом зарядка такого источника питания занимает всего несколько секунд), что, естественно, несопоставимо с традиционными аккумуляторами (как известно, сегодня гарантируется лишь до тысячи циклов у лучших образцов аккумуляторов, причем при времени зарядки, измеряемом часами).

Рис. 4 Нанотрубки различной структуры

Однако до промышленного выпуска таких батарей еще далеко, и, скорее всего, переход на нанотрубочные элементы будет постепенным, по мере роста производства и удешевления всей остальной нанопродукции (впрочем, по предварительным оценкам, взрывной рост применения нанотехнологий должен начаться в ближайшие годы).

Глава III . НАНОТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЯ

Может ли оказать опасное воздействие на окружающую среду внедрение нанотехнологий? Нанотехнологии, безусловно, способствуют техническому прогрессу человечества - ученые регулярно рапортуют о новых успехах, способных изменить жизнь и быт людей к лучшему. Однако проблема нанотехнологий в экологии по-прежнему актуальна и исследования в этой сфере - тревожный сигнал к тому, что следует аккуратно относиться к каждой инновации. Так в апреле 2009 года российский вице-премьер Сергей Иванов заявлял, что наноматериалы обладают уникальной биологической активностью и проникающей способностью, что и делает их опасными для здоровья. По словам С. Иванова, необходимо оценить безопасность наноматериалов и создать нормативно-правовую базу в данной сфере. Затем с похожими заявлениями выступил и главный санитарный врач страны Геннадий Онищенко. «Наноматериалы могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами, оказывать новое токсическое воздействие», — высказался руководитель Роспотребнадзора на Невском международном экологическом конгрессе в Санкт-Петербурге в мае 2009 года. Несмотря на все высказывания, нанотехнологии станут локомотивом инновационного развития.

Глава IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Внедрение нанотехнологий в информационной сфере позволит произвести качественный и количественный рывок, увеличивающий возможности работы средств обработки, накопления и передачи информации в тысячи раз, превышающие сегодняшние.

Гетеропереход металл-полупроводник может изменить представление об элементной базе, что в свою очередь позволит создать средства обработки информации, решающие задачи любого уровня. Новые материалы на основе нанотрубок различных структур могут быть применены для создания информационных сетей. На основе нанотрубок предполагается создавать довольно компактные и одновременно достаточно дешевые накопители информации.

Внедрение нанотехнологий в повседневную жизнь произведет эволюцию информационных технологий.

Будет повышен уровень:

Передачи данных: качество, скорость, расстояния.

Хранение информации: объем памяти носителей будет увеличен в разы, габариты носителей будут уменьшены.

Обработка информации: скорость обработки, качество, объемы.

Глава V СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ССЫЛОК

Иванова И.А. Информатика 8 класс (практикум), г. Саратов, 2004 г.
изд. Лицей, стр. 28, стр. 41-42
ссылка скрыта свободная энциклопедия
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта
ссылка скрыта

Blog

Глава I нанотехнологии в информационных технологиях

Содержание