|
25.11.2009 [12:00],
Денис Борн
Компьютерные чипы, в которых для передачи данных используется свет вместо электронов, потребляют намного меньше энергии и обладают другими преимуществами, но пока они остаются лишь опытными лабораторными образцами. Профессоры Владимир Стоянович (Vladimir Stojanović) и Раджив Рем (Rajeev Ram) из Исследовательской лаборатории электроники и Лаборатории технологий микросистем при Массачусетском технологическом институте (MIT) надеются достигнуть большего прогресса путём создания оптического чипа, который может изготавливаться с применением обычного технологического полупроводникового процесса.
Получив доступ к тем же производственным линиям, на которых Texas Instruments "собирает" микропроцессоры для мобильных телефонов, исследователи продемонстрировали возможность размещения большого количества работоспособных оптических и электронных компонентов на одной подложке. Однако пока прямой связи между ними нет. Стоянович планирует решить задачу с выпуском новых образов чипов на мощностях TI и других производителей полупроводников предстоящей зимой.
Прототип оптоэлектронного чипа. Верхние линии - это кольцевые резонаторы
Передача данных через оптический канал может решить проблему ограниченности производительности внутренних шин, которая вскоре явно даст о себе знать в области разработки чипов. Вместе с ростом вычислительной мощности нужны и более высокоскоростные соединения для связи с памятью, иначе дополнительные мега- и гигагерцы могут оказаться лишними. Однако передача большего объёма данных по электрическим соединениям означает увеличение потребляемой мощности. Техпроцессы становятся более прецизионными, транзисторы – компактными и эффективными, поэтому со временем общее энергопотребление меняется незначительно. Но по словам исследователя из Национальной лаборатории компании Sandia (Sandia National Laboratories) Майкла Уаттса (Michael Watts), та часть энергии, которая уходит на соединения, растёт: "В некоторый момент вся мощность должна будет отдаваться соединениям, и он не так уж далеко. Что в таком случае останется для вычислений? Ничего". Будущие чипы могут просто потреблять больше энергии, но тогда и охлаждение станет сложной задачей, а время автономной работы батарей портативных устройств сократится.
Исходя из этого, чипмейкеры не прочь перейти на более энергоэффективные системы передачи данных, если только это будет экономически оправдано. Поэтому демонстрация совместимости с ныне используемыми производственными процессами должна быть убедительна. Обычно они подразумевают последовательное размещение слоёв различных материалов – кремния, оксида кремния, меди – на кремниевой подложке и химическое удаление определённых участков для создания итоговых трёхмерных структур. Проблема в том, что слои материалов тоньше, чем оптимальный уровень для оптических компонентов. Как объясняет Стоянович, нормальный фотонный элемент схемы "должен быть выше и тоньше, чтобы минимизировать поверхностные потери". А поскольку толщина задана производственными стандартами, появляется препятствие.
В оптических чипах используются волноводы для передачи света, и часто исследователи пытаются совместить фотонные компоненты с кремниевым чипом путём "вырезания" волноводов из единого кристалла кремния. Но такое решение требует применение изолирующих слоёв над и под монокристаллом, что невозможно сделать на линиях TI и Intel. Тем не менее, есть способ размещения диэлектриков сверху с снизу слоёв поликристаллического кремния, обычно используемого в затворах транзисторов. В этом и увидели выход учёные из MIT. На данный момент были изготовлены две серии прототипов фотонных чипов: одна с применением 65-нм технологии, другая – 32-нм. Чтобы избежать утечки света из поликристаллических волноводов, под ними было сформировано пустое пространство – единственный шаг, неосуществимый (пока) TI. Модификация промышленного техпроцесса не должна стать большой сложностью, отмечает Уаттс.
В разработке исследователей световое излучение обеспечивает лазер, находящийся вне чипа. В дополнение к направлению луча к нужным точкам чип также должен уметь загружать информацию и отдавать её. Обе операции выполняются с помощью кольцевых резонаторов – крошечных колец из кремния, выводящих свет определённой частоты из волноводов. Быстрое включение и отключение резонаторов приводит к появлению и исчезновению светового сигнала, и соответствующие вспышки с промежутками между ними означают единицы и нули. Потребности в пропускной способности соединений чипов следующего поколения диктуют необходимость в волноводах с поддержкой 128 световых потоков с разными длинами волн, несущих собственные данные. Соответственно, кольцевые резонаторы должны обеспечить пул фильтров, чтобы развязать входящие сигналы. В прототипах чипов, утверждает Стоянович, быстродействие фильтров поразительна, но текущие производственные процессы не могут гарантировать точность размеров колец, от которых зависит пропускаемая длина волны.
Учёные надеются, что следующее поколение прототипов, где электронные компоненты будут управлять оптическими, продемонстрирует также более совершенное действие резонаторов при кодировании данных в лучах. В то же время, исследователи ищут способ переноса своих разработок на чипы памяти. По словам Стояновича, этот сегмент полупроводниковой продукции сложно покорить, поскольку данный бизнес сильно зависим от цен и на счету каждая производственная операция. Оптические решения должны быть абсолютно совместимы с производственными технологиями. Но если память и процессоры будут работать с передачей данных по оптическим каналам, то в добавок к экономии энергии производительность компьютеров существенно вырастет. Стоянович говорит о четырёхкратном выигрыше только в случае CPU, а переход всех соединений на фотонные даст 10- и 20-кратное преимущество.
24.11.2009 [09:07],
Алексей Гаранжа
Сетевой ресурс EE Times составил список информационных технологий, развитие которых в 2010 году будет наиболее востребовано.
1. Биологическая обратная связь или управление электроникой с помощью мысли.
Число компаний и институтов занятых на этом поприще растет как снежный ком. Возможность управлять электроникой посредством одной лишь мысли ожидают множество категорий пользователей – военные, инвалиды и простые пользователи, особенно в игровой сфере. Звучит как научная фантастика, но в продаже уже появляются практические устройства для управления компьютером.
2. «Печатная» электроника. Возможность быстро печатать сложные схемы из проводящих, изолирующих и полупроводниковых слоев рассматривается как альтернатива существующим техпроцессам создания электроники. Разумеется, что по плотности размещения компонентов эта технология существенно проигрывает современной литографии, но скорость разработки, простота и дешевизна создания схем делает технологию перспективной во многих решениях. К примеру создание гибких схем, RFID, OLED-панелей и других, где плотность элементов не критична.
3. «Пластиковая» или полимерная память. Технология создания памяти на основе полимера – политиофена (polythiophenes), который демонстрирует ферромагнитные свойства. Такая память уступает по производительности кремниевой, но ее можно, что называется буквально печатать на гибкую основу.
4. Безмасочная литография. Многие считают перспективным направлением развитие иммерсионной и EUV-литографии, однако EE Times делает ставку на темную лошадку в этой гонке техпроцессов – безмасочную многолучевую литографию, как более дешевую альтернативу.
5. Параллельные процессы. Технология существует сейчас в форме двух и четырехъядерных процессоров, а также в многопроцессорных системах. Однако, по мнению EE Times, в будущем году будет уделено большее внимание использованию вычислительной мощности графических процессоров. Во всяком случае наработки OpenCL и Cuda обещают прорыв в этой сфере.
6. Energy harvesting или использование энергии окружающей среды.
Тема далеко не новая (как пример, наручные часы с автоподзаводом), но, с уменьшением потребляемой энергии современными чипами, становится возможным использовать устройства без источника питания. В будущем году ожидается заметное развитие эти технологий. А такие компании, как Nokia, рассматривают возможность таким путем заметно увеличить время работы мобильных телефонов.
7. Биоэлектроника и имплантанты. В 2010 году в этом направлении ожидаются успехи больше в исследовательской области, но эксперты также ожидают появления устройств, готовых к применению в медицине. Мейнстримом направления возможно станут так называемые лаборатории-на-чипе и внедрение в этом сегменте MEMS и биочипов на органике.
8. Резистивная память или мемристоры. Насущная потребность в универсальной памяти, способной хранить данные в течении многих лет, допускать неограниченное число циклов перезаписи и не уступать в скорости DRAM, порождает множество самых разных исследований. На взгляд экспертов наибольшие перспективы в ближайшем будущем у памяти на токопроводящих металлических оксидах (conductive metal oxide, CMOx) и мемристорах.
9. Сквозные кремниевые межсоединения (through silicon via, TSV). Технология позволит значительно уплотнить чипы и существенно снизить энергопотребление.
Многие компании уже активно используют этот принцип в производства. Как ожидает EE Times, «прорыв» ожидается в новых сенсорах камер.
10. Различные «батарейные» технологии. По сравнению с полупроводниковыми технологиями традиционные источники питания - батареи и аккумуляторы заметно отстают от прогресса. Тем не менее, уже представлено довольно много разработок, обещающих прогресс в этой области: никель-оксидгидроксидные (nickel oxyhydroxide, NiOOH), оливиновый фосфат лития и железа, с использованием наночастиц и воздушно-цинковые (zinc-air).
Может показаться, что обозреватели EE Times незаслуженно «забыли» или отсеяли многие другие перспективные технологии, но выбор десятки делался с учетом на возможность реального использования «номинантов» и вероятном контрасте между сегодняшним днем и следующим годом.
Материалы по теме:
- 10 переломных событий в жизни Интернета за десятилетие;
- 6 технологий, за которые мир должен благодарить 1960-е;
- Предварительные прогнозы для IT-индустрии на 2010 г.
Исследователи из Корнельского университета заявили о создании оптического резонатора, способного оказывать относительно сильное воздействие на объекты микромира. Ожидается, что оптический нанорезонатор можно будет использовать для усовершенствования конструкций микроэлектромеханических (micro-electromechanical systems, MEMS) и микрооптомеханических (micro-optomechanical systems, MOMS) систем. Ученые считают, что с применением светового луча мощностью порядка нескольких милливатт можно будет не только перемещать объекты, но также изменять оптические свойства кремниевых структур в наномасштабе от непрозрачности к прозрачности.
Как и другие электромагнитные волны, свет может быть описан как сочетание электрического и магнитного полей, колеблющихся в перпендикулярном направлении и формирующих периодические максимумы и минимумы потенциальной энергии. Хотя эти колебания весьма слабы, все же они могут влиять на перемещение наночастиц, «сталкивая» их в точки минимумов энергии, и за счет этого равномерно распределяя их по поверхности. Этот принцип используется в «оптических пипетках», или, реже, в «акустических пипетках», для распределения мелких частиц предопределенным способом.
В тоже время, для использования в подобных устройствах требуются источники света значительной мощности. Созданная в Корнеле наноконструкция, по мнению ее изобретателей, должна помочь в решении данной проблемы. Она представляет собой «кольцевой резонатор», образованный двумя волноводами, длина окружности которых кратна длине используемого светового излучения. Два световых потока небольшой мощности, проходя через резонатор, за счет взаимодействия друг с другом могут вызывать относительно сильное отталкивание или притяжение, в зависимости от того, будут ли они совпадать по фазе, или находиться в противофазе между собой.
Ширина волноводов составляет три микрона, толщина – 190 нм, и они расположены на расстоянии микрона друг от друга. Эффект отталкивания может быть использован в MEMS-устройствах с движущимися частями, в которых существует проблема «склеивания» кремниевых компонентов между собой. Резонатор может «удерживать» их на оптимальном расстоянии, тем самым повышая эффективность работы системы. Изобретение может найти место и в MOMS-устройствах, например, для создания настраиваемых фильтров для определенной длины волны.
Материалы по теме:
- В 2013 году рынок MEMS-микрофонов перевалит за 1 миллиард устройств;
- Пружины из нанотрубок избавят человечество от аккумуляторов.
20.11.2009 [13:58],
Денис Борн
Toshiba заявляет о том что разработала высокочувствительный фоторезист для литографического процесса с применением сверхглубокого ультрафиолета EUV (extreme ultraviolet) при производстве полупроводников. Преимущества материала подтверждены в ходе испытаний с использованием 20-нм техпроцесса. Достижение важно потому, что вместе с увеличением плотности размещения полупроводниковых элементов, когда литографические технологии подходят к 20-нм масштабам, обычные полимерные фоторезисты уже не справляются с возложенными на них задачами. Размеры их молекул и связи между молекулярными цепочками являются ограничителем. К тому же, сегодняшнее оборудование для аргон-фторидной лазерной экспозиции не способно обеспечить требуемых разрешений. Решение – в переходе на EUV-литографию и фоторезист, основанный на низкомолекулярном веществе.
При нанесении рисунка полупроводниковых цепей на подложку нужны позитивные и негативные фоторезисты, что позволяет сохранить точность структуры. При позитивном экспонировании подвергшиеся облучению участки удаляются с пластины. При негативном – удаляются участки, не попавшие под излучение. Низкомолекулярный состав Toshiba получила из производного соединения труксена (truxene), который более стоек, чем полимеры. После успешного получения тестового рисунка на подложке в 20-нм масштабе компания намерена продолжить совершенствование молекулярного резиста и его подготовку к выпуску 20-нм высокоинтегрированных LSI-компонентов. Согласно Международному графику полупроводниковых технологий (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS), крупномасштабное производство этого поколения устройств начнётся в 2013 году.
Материалы по теме:
- Ортогональная литография распахнет двери для органики?;
- Литография "снимает маску" за $14,7 млн;
- IDF 2009: за горизонтом новых технологий.
19.11.2009 [16:00],
Денис Борн
Нет устройств, которые могли бы преобразовать всю потребляемую ими энергию в полезный вид. От компьютерного процессора до двигателя автомобиля – везде происходят потери, в том числе в виде тепла. Однако согласно новому исследованию возможно собрать это немалое количество теряемой тепловой энергии и превратить её в электрическую. В результате, например, время работы мобильных телефонов от одного заряда аккумуляторов увеличится как минимум вдвое, то же касается портативных ПК, а электростанции намного эффективнее будут расходовать топливо. Такие перспективы видит соавтор концепции профессор инженерии в области электроники в Массачусетском технологическом институте (MIT) Петер Хагельштейн (Peter Hagelstein).
Как утверждает Хагельштейн, существующие полупроводниковые устройства, предназначенные для выполнения этой функции – преобразования тепла в электричество – не слишком эффективны. В своём исследовании совместно с аспирантом Деннисом Ву (Dennis Wu) профессор поставил цель выяснить, насколько близко можно подойти к теоретическому пределу в превращении одного вида энергии в другой. Согласно теоретическим выкладкам, ни одна система не может преодолеть так называемый предел Карно – показатель, основанный на предложенной в XIX веке формуле определения максимальной эффективности, которой может достичь устройство при конвертировании тепла в работу. Но сегодняшние коммерческие термоэлектрические решения не предлагают и одной десятой этого лимита. В экспериментах с использованием технологии тепловых диодов Хагельштейн показал, что возможно подойти к 40% значению от предела Карно. Более того, по расчётам учёных потенциал их разработки позволяет заявлять о "потолке" в 90%.
Хагельштейн, Ву и их коллеги начали испытания на лабораторном оборудовании вместо современной продукции высокотехнологичной промышленности. Анализ производился на очень простой системе, где тепло генерировалось устройством с одиночной квантовой точкой, которое представляет собой тип полупроводника с электронами и "дырками", очень ограниченными в трёх измерениях. Контролируя все характеристики устройства, учёные надеются лучше понять, как изготовить близкий к идеальному термоэлектрический преобразователь. По оценке Хагельштейна, присутствующие на рынке технологии способны на эффективное преобразование, но лишь в том случае, если речь идёт о малой мощности. Если же количество энергии должно быть большим, то это возможно только с неэффективными, массивными и дорогостоящими системами. Другими словами, нужно так или иначе чем-либо поступиться. Однако разработка исследователей обладает обоими преимуществами.
Ключом к повышению мощности является уменьшение разделяющего горячую поверхность и преобразователь расстояния. Из недавней статьи профессора из MIT Гена Чена (Gang Chen) следует, что перенос тепла между очень близко расположенными поверхностями может происходить эффективнее, чем предсказывали теории. Новое же исследование пошло дальше, показав путь к использованию этого явления. Над практической реализацией схожей технологии конвертирования работает компания MTPV Corp. (Micron-gap Thermal Photo-Voltaics – микронное термальное фотоэлектричество), основанная Робертом ДиМаттео (Robert DiMatteo), который также намеревается извлечь прибыль из идеи Хагельштейна. Его собственная технология появится на рынке в следующем году и предоставит в 10 раз большую выходную мощность по сравнению с сегодняшними фотоэлектрическими устройствами, а разработка учёных из MIT потенциально способна повысить характеристики ещё в 10 раз. По данным ДиМаттео, в глобальном масштабе около 60% всей образующейся при сжигании топлив или в результате работы электростанций энергии теряется, в основном в виде тепла.
Когда в 2002 году началась работа над теорией Хагельштейна, учёный понимал, что устройство на её основе не может быть построено. Но с тех пор технологии ушли вперёд, приближая замысел к реальности. Понадобится ещё несколько лет, прежде чем сформируется "пул" технологий, необходимых для создания пригодных к коммерциализации устройств с квантовыми точками, но нет причин, почему эффективность преобразователей или их мощность не могут быть увеличены ещё на порядок. Если Хагельштейну удастся добиться своего, то излучаемое в окружающее пространство через радиаторы тепло станет, по его словам, золотым дном. Высокоэффективные микропроцессоры, автомобили и самолёты – изменится вся современная техника.
Материалы по теме:
- Новая концепция цифровой электроники: фемтосекунды, терагерцы;
- Открыто магнетричество – магнитное электричество;
- IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния.
19.11.2009 [08:00],
Денис Борн
Сначала это были похожие на футбольный мяч молекулы, названные фуллеренами. Затем в лабораториях получили цилиндрические нанотрубки. И совсем недавно физика и нанотехнологии начали изучать новый интересный материал – графен, который представляет собой двумерную гексагональную структуру из атомов углерода одноатомной толщины. Это не только самый тонкий из возможных материалов – он также в 10 раз прочнее стали и при комнатной температуре является лучшим из существующих проводников. Эти и другие экзотические свойства справедливо представляют немалый интерес для учёных, которые стремятся раскрыть их полный теоретический и практический потенциал.
Как говорит доцент факультета физики и астрономии в Университете Вандербилта (Vanderbilt University) Кирилл Болотин (Kirill Bolotin), есть два свойства, которые делают графен неповторимым. Во-первых, его молекулярная структура настолько устойчива к повреждениям, что исследователи просто обязаны были обратить на них внимание. Во-вторых, переносящие электрический заряд электроны перемещаются в нём намного быстрее и ведут себя так, будто их масса намного меньше, чем в металлах или суперпроводниках. В недавней публикации в авторитетном издании Nature Болотин утверждает, что совместно с коллегами из Колумбийского университета (Columbia University) он смог получить настолько чистый графен, что материал демонстрирует электрическое явление, называемое дробным квантовым эффектом Холла (за его открытие и объяснение в 1998 году Нобелевской премии удостоились Даниэль Цуи (Daniel Tsui), Хорст Штормер (Horst Stormer) и Роберт Беттс Лафлин (Robert Betts Laughlin)). Электроны при этом взаимодействуют и формируют новые квазичастицы с меньшими электрическими зарядами, чем у индивидуальных электронов.
Хотя графен – это первый действительно двумерный кристаллический материал, в течение многих лет учёные размышляли над тем, какими характеристиками должны обладать двумерные газы и жидкости. Был также достигнут успех в создании приблизительной модели такого газа путём соединения двух слегка отличающихся полупроводников. Электроны заключаются в "интерфейс" между ними и их движение ограничивается двумерным пространством. Когда такая система охлаждается до менее чем одного градуса выше абсолютного ноля и помещается в мощное магнитное поле, проявляется квантовый эффект Холла. Несмотря на то, что теоретическая основа получения графена была подготовлена ещё пять лет назад, данное явление удавалось вызвать лишь с незначительным и переменных успехом. Согласно Болотину, исследователи установили источник проблем – влияние со стороны поверхности, на которой находится графен. Поэтому была разработана специальная техника полупроводникового литографического процесса, позволившая "подвесить" сверхчистый графеновый лист между микроскопическими опорами над поверхностью полупроводникового чипа. Когда полученную структуру охладили до температуры, на шесть градусов превышающей абсолютный ноль, и подвергли воздействию магнитного поля, проявился эффект Холла, как и предсказывала теория.
Лучший способ представить явление – вообразить электроны в графене как формирующие очень мелкий "океан" из зарядов. Когда приложено магнитное поле, в электронной жидкости появляются своеобразные "водовороты". Поскольку электроны заряжены отрицательно, "вихри" будут иметь положительный заряд. Они состоят из дробных зарядов электрона, таких как одна третья часть, половина или две третьих. Эти носители положительного заряда притягиваются и присоединяются к электронам, создавая квазичастицы с дробными зарядами. Понимание электрических свойств графена важно, поскольку, в отличие от других используемых индустрией материалов, они остаются стабильными вплоть до молекулярного уровня. В результате, когда текущая кремниевая технология производства чипов достигнет фундаментального предела через несколько лет, графен может занять освободившееся место будущего электроники.
Тем временем, некоторые физики-теоретики интересуются графеном по совсем иной причине: он предоставляет возможность опробовать их теории. Во время перемещения через обычные металлы электроны взаимодействуют с электрическими полями атомной решётки. В итоге электроны изменяют поведение, словно имея отличную от свойственной им массу. Физики назвали явление "эффективной массой" начали рассматривать электроны в этом случае как квазичастицы. В графене они также показывают себя квазичастицами, но будто с нулевой массой. Возможно, в последнем случае происходит подчинение законам квантовой электродинамики – тем же релятивистским уравнениям, которыми описываются частицы в чёрных дырах и ускорителях. В результате новый материал позволяет проводить лабораторные эксперименты и проверять теоретические модели наиболее экстремальных и неизведанных явлений Вселенной.
Материалы по теме:
- Растягивание графена превратило его в полупроводник;
- Графен заменит медь в интегральных микросхемах;
- IT-байки: На ближних подступах к эре графеновой электроники.
17.11.2009 [16:52],
Денис Борн
Когда речь заходит о нанотрубках, большинство исследований сконцентрированы вокруг выполнения ими задач в наномасштабе. Но команда исследователей из Университета Райса (Rice University) пошла дальше, создав структуры их углеродных нанотрубок длиной в сотни метров и толщиной 50 мкм. Утверждается, что ограничения на длину вообще нет, а значит, открываются возможности решения крупномасштабых задач, включая разработку инновационных линий передачи энергии и строительных материалов.
Работа над проектом началась в 2001 году и возглавляется нобелевским лауреатом Ричардом Смелли (Richard Smalley). После многих лет исследований учёные обнаружили, что хлоросульфоновая суперкислота (chlorosulphonic) может спонтанно растворять в 1000 раз большие концентрации углеродных нанотрубок, чем любой другой растворитель. Благодаря этому становится возможным изготовление волокон из точно выстроенных нанотрубок в большом масштабе. Процесс схож с выпуском струй воды из душевой насадки. Поскольку нанотрубки являются прекрасными проводниками, исследователи в настоящий момент пытаются сформировать из них линии для передачи электричества и информации. Как считает профессор химии Маттео Паскуали (Matteo Pasquali), эффективность таких проводов должна быть существенно выше медных. Но для передающих линий необходимо очень большое количество металлических нанотрубок. Сегодня нет подходящих методов получения таких объёмов без того, чтобы среди "примесей" не оказались элементы с полупроводниковыми свойствами. Но некоторые исследования в этой области имеют позитивные результаты, и учёные прогнозируют, что прорыв должен быть совершён в недалёком будущем.
Материалы по теме:
- Honda открыла секрет металлических нанотрубок;
- Пружины из нанотрубок избавят человечество от аккумуляторов;
- IT-Байки: солнечное электричество из нанотрубок.
17.11.2009 [10:00],
Денис Борн
Физики из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) продемонстрировали первый универсальный программируемый квантовый процессор, который способен обрабатывать любую программу, удовлетворяющую правилам квантовой механики для двух квантовых битов (кубитов). Разработка может стать частью будущего квантового компьютера, который сможет решать проблемы, неподдающиеся сегодняшним вычислительным системам.
Демонстрация NIST является первым случаем выхода за рамки отдельной задачи для квантового процессора к программируемым вычислениям с более чем одним кубитом. Команда учёных также проанализировала характеристики процессора методами, применяемыми в отношении традиционной электроники, путём создания диаграммы вычислительного цикла и математического определения 15 разных начальных значений вычислительных операций, необходимых для запуска программы. По словам Дэвида Хеннеке (David Hanneke) из NIST, исследователи совершили шаг вперёд к вычислениям со множеством кубитов. Процессор представляет собой покрытые золотом алюминиевые пластины, содержащие микроскопическую электромагнитную ловушку шириной 200 мкм, в которую помещаются четыре иона – по два магния и бериллия. Магний выступает как "охладитель", устраняя вибрации ионной цепочки и сохраняя стабильность устройства. Манипуляции с ионами производятся ультрафиолетовым лазером.
Управляя состояниями бериллиевых кубитов, учёные могут заставить их принять неопределённое значение одновременно 1 и 0, что предоставляет преимущества в обработке информации по сравнению с обычной логикой. Кубиты также возможно привести в "запутанное" состояние – квантовое явление, которое связывает свойства пары, даже если физически они разделены. Среди множества возможных программ для кубитов были выбраны 160, чтобы показать универсальность вычислений. Как говорит Хеннеке, для демонстрации потенциала этого вполне достаточно. Ключевым моментом стало использование генератора случайных чисел, чтобы у всех операций был равный шанс на выполнение. Такой подход избрали во избежание необъективности в ходе тестирования процессора в случае, если некоторые программы выполняются с более точными результатами.
Слева в центре пластины - ионная ловушка. Ионы попадают в щель длиной 3,5 мм и шириной 200 мкм между алюминиевыми пластинами. Изменяя приложенное к электродам напряжение, возможно перемещать ионы
Ионы – один из многообещающих типов кубитов для квантовых компьютеров. Если эти машины будут построены, среди доступных им задач будет, например, взлом наиболее распространённых сегодня криптографических алгоритмов, защищающих информацию в коммуникационных сетях. В добавок к тому, что новый процессор можно включить в состав квантового компьютера, он способен стать миниатюрным симулятором взаимодействий любой квантовой системы, основанной на двух энергетических уровнях, такой как системы на ионах, представляющих уровни 0 и 1. Большие симуляторы смогут объяснить загадку высокотемпературной сверхпроводимости – передачи электричества без сопротивления при температурах, имеющих практический смысл для эффективных устройств хранения данных и других областей.
Исследование, результатом которого стал процессор с двумя кубитами, является продолжением работы с захваченными в ловушку ионами. В последних экспериментах каждая из 160 программ предполагала использование 31 операции с двумя кубитами, 15 из которых задавались в процессе программирования. Логическая операция в данном случае – это определяющее манипуляции с одним или обоими кубитами правило. В обычных компьютерах эти операции являются кодом программного обеспечения, обрабатываемого цифровой электроникой. Программы не производили легко описываемые математические вычисления. Они работали со множеством "вращений" одного кубита и "запутанностью" двух. Каждая программа выполнялась 900 раз с точностью 79%, длительность одного цикла – 37 мс. Любая выполняемая лазером операция имеет точность 90%, но в совокупности получается 79%. Причина – небольшое колебание интенсивности импульсов лазера. Чтобы оценить процессор и качество его вычислений, учёные сравнили измеренные выходные данные программ с идеальными теоретическими результатами. Дополнительная информация получена от 11 программ из 160.
Как отмечается в опубликованной работе, для решения масштабных проблем потребуется намного больше кубитов и логических операций. Кроме того, необходимо снизить количество ошибок. Увеличение точности результатов должно послужить большей отказоустойчивости и сокращению избыточных данных для коррекции ошибок. Этого можно достичь стабилизацией лазера и улучшением оптического оборудования.
Материалы по теме:
- Через 100 лет прекратится рост скорости компьютеров;
- Квантовый алгоритм взлома шифров на фотонном чипе;
- Бинарная система сдерживает мощность квантовых компьютеров.
15.11.2009 [14:00],
Денис Борн
Профессор химии из Гарвардского университета (Harvard University) Джордж Уайтсайдс (George Whitesides) – довольно известная личность в своей области. В сотрудничестве с фотографом Фелис Франкель (Felice Frankel) из Массачусетского технологического института (MIT) он выпустил книгу, в которой описал мир микро- и наномасштаба. Это не обязательно сложные концептуальные механизмы, которые действуют только в лабораторных условиях. Миниатюрные элементы так же обязательны для любой вещи, как молекулы или атомы. Их изображения, некоторые из которых опубликованы в Интернете, являются смесью традиционной фотографии, компьютерной графики и различных техник микроскопии.
Это атомная игла, или зонд. Она используется в атомных силовых микроскопах (atomic force microscope, AFM), которые для создания изображения объекта не "смотрят" на него, а описывают форму при помощи взаимодействия зонда с поверхностью через силы притяжения и отталкивания между атомами. Игла является частью кантилевера – конструкции из прямоугольной площадки размером в несколько миллиметров и острия. Одна из её сторон способна отражать свет, что позволяет измерять колебания кантилевера лазером во время работы с образцом. Ширина острия в лабораторных микроскопах – около 1 нм. Снимок иглы сделан сканирующим электронным микроскопом.
"Электронная бумага", выполненная по технологии "электронных чернил" компании E-Ink, используется в устройствах для чтения электронных книг. Расположенный над электродами пластиковый слой содержит микрокапсулы с противоположно заряженными чёрными и белыми частицами. Чтобы пиксель стал чёрным, отрицательный электрод отталкивает чёрное вещество к поверхности капсулы. Белый пигмент "всплывает", если электрод имеет положительный заряд. Простая электроника управляет электродами в соответствии с обрабатываемыми цифровыми данными (например, текстом). В цветных дисплеях каждый пиксель разбит на субпиксели и обычно состоит из трёх капсул и светофильтров.
Поток жидкости в микроканале ведёт себя иначе, чем в макромасштабных системах. На снимке цветные линии показывают окрашенные потоки воды, передвигающиеся от правого верхнего угла в каналах диаметром 200 мкм, что приблизительно соответствует толщине волоса человека. Вместо того, чтобы смешиваться друг с другом в вихри или другие процессы при встрече, эти потоки не сливаются либо делают это очень медленно. Жидкости выходят из каналов (нижний левый угол изображения) параллельно и не взаимодействуя. Эффект известен как ламинарный поток и может наблюдаться в ледниках или даже среди людей, проходящих через узкий коридор, но законы, разумеется, действуют разные. Понимание поведения жидкостей в таких масштабах важно для разработки диагностических устройств наподобие лабораторий на чипе.
Показано поперечное сечение мембраны обратного осмоса, используемой для разделения жидких смесей. При обратном осмосе давление в 1000 раз выше атмосферного заставляет молекулы воды проходить через мембрану, оставляя минералы и ионы с другой стороны. Мембрана имеет комплексную внутреннюю структуру со множеством пор различных размеров, позволяющих выдержать высокое давление. Такой тип материала применяется в процессе опреснения и очистки воды, а также в аппаратах для диализа. Однако создание давления требует энергии и денег, поэтому всё чаще мембраны заменяются альтернативами, включающими ячейки с поглощающими соль микробами и блокирующие ионы нанотрубки.
Поверхность фотоэлектрической солнечной ячейки. Эти устройства конвертируют энергию фотонов света в электрическую благодаря фотоэлектрическому эффекту. Изображённый экземпляр основан на пластине из кристаллического кремния. Поглощаемый свет создаёт заряды, которые собираются проводниками из серебра (светлая вертикальная полоса). Ячейка покрыта нитридом кремния, который служит "антибликовым фильтром" и предотвращает отражение света, а заодно придаёт характерные синий и фиолетовый цвета. Учёные работают над тем, чтобы в будущем вместо размещения солнечных панелей на крышах домов поверхности покрывали специальной краской, выполняющей роль фотоэлектрического преобразователя.
Даже самые фанатичные поклонники творчества легендарной группы Beatles не смогут распознать её музыку на этом изображении. Показана часть виниловой копии альбома Revolver, а точнее – композиции Eleanor Rigby. Снимок сделан микроскопом Номарски, в котором используются различия в преломляющих характеристиках образца для установления его формы.
Данный снимок "шахматной доски" не относится к книге Уайтсайдса, но изображения подобного характера вызывают интерес к познанию невидимого мира. Шахматы почти в тысячу раз тоньше волоса человека. Увеличение – 17000х.
Объект в представлении не нуждается. Размер наноунитаза – несколько сотен нанометров. Такахаши Които (Takahashi Kaito) из SII Nanotechnology сделал снимок с увеличением 15000х.
"Рука с указующим перстом" была выращена Михаилом Кройтору (Mihail Croitoru) из Университета Тубингена (Tübingen University) при помощи процесса разложения молекул газа с последующим размещением элементов на поверхности. Инструментом выступал сканирующий электронный микроскоп, который генерирует подходящий электронный луч. Увеличение – 50000х.
Материалы по теме:
- Лучшие фотографии микромира за 30 лет;
- Самосборные ДНК делают 3D-наномашины;
- IT-байки: 4D наномикроскоп - Виват, атомное кино!.
10.11.2009 [09:30],
Денис Борн
Содержащий электролюминесцентные жидкие кристаллы материал может быть использован для производства более совершенных дисплеев на основе технологий LED и OLED. Обычно ЖК-панели лишь пропускают свет от расположенной позади подсветки, но химик Стивен Келли (Stephen Kelly) и физик Мэри О'Нил (Mary O'Neill) из Университета Хала (University of Hull), Великобритания, продемонстрировали возможность излучения кристаллами электромагнитных волн. Открытие было совершено ещё в 2000 году, и с тех пор продолжается работа по повышению характеристик технологии. Плодотворный труд, похоже, дал свои результаты, поскольку основанная для коммерциализации разработки компания Polar OLED начала сотрудничество с производителями дисплеев.
Новый материал применим для изготовления светоизлучающих элементов и для панелей на органических диодах, и для жидкокристаллических. Жидкие кристаллы давно известны способностью к фотолюминесценции – излучению, возбуждаемому сторонним источником фотонов. Но чтобы заставить их делать то же при воздействии электричества, необходимо было найти способ транспортировать заряд через материал. Келли добился эффекта путём применения кристаллов с содержанием ароматических соединений. Облучение растворов с этими веществами ультрафиолетовым светом приводит к формированию из них полимерных "сетей", связывающих кристаллы. В зависимости от химического состава гибридный материал может излучать свет с различными цветами при подаче напряжения. Затем из красных, зелёных и синих кристаллов создаются отдельные субпиксели для OLED-дисплеев. А чтобы изготовить подсветку для ЖК-экранов, микроскопические элементы располагают в виде "башни", друг на друге.
Экраны OLED с высоким разрешением уже начали появляться на рынке и соперничать с привычными ЖК. Их яркость и углы обзора превосходят показатели конкурирующей технологии, но ограничивающим фактором является дороговизна, вызванная высокотемпературным процессом напыления при их производстве. Несколько компаний работают над удешевлением техпроцесса, но, как считает Келли, в любом случае совместить слои разных полимеров без дестабилизации достаточно сложно. Если их размещать один над другим, то второй будет разрушать первый, а третий – два предыдущих слоя. Достижение Polar OLED – стабильные полимерные слои, поэтому наложение их друг на друга или печать с близким расположением реальна. В результате дисплеи с высоким разрешением будут обладать меньшей стоимостью. Однако, по мнению сооснователя компании Plastic Logic физика Хеннинга Сиррингауса (Henning Sirringhaus), хотя технология интересна, вывод её на рынок как нового материала для дисплеев может столкнуться с проблемами, связанными со скоростью обновления экрана.
Вторая область применения – дешёвая подсветка для ЖК-мониторов. Обычно в них используются два поляризационных слоя, но новый гибридный материал сам излучает поляризованный свет. Тем не менее, перспективы разработки ещё нуждаются в доказательстве. Разговоры об OLED и превосходстве органических диодов над жидкими кристаллами ходили более десятка лет, но до сих пор доминирующее положение сохраняется за ЖК-дисплеями.
Материалы по теме:
- LG готовит 40" OLED-телевизор к 2012 году;
- Ударопрочность OLED и ЖК испытали молотком;
- Технология LED TV - как это работает.
|
MWC 2018
2018
Computex
IFA 2018
Подписаться