Теги → нанотехнологии
Быстрый переход

Смартфон Nubia Play получит корпус из «наностекла» и металла

Официальный анонс смартфона Nubia Play должен состояться завтра, но мы уже знаем многие технические характеристики этой новинки благодаря главе бренда Ни Фею (Ni Fei). Сегодня сетевые источники сообщают о «засветившемся» рекламном постере устройства, который рассказывает некоторые детали о его дизайне. Смартфон получит корпус из «наностекла», окруженного металлической рамой для надёжности.

Постер поясняет, что корпус Nubia Play выполнен из стекла, прошедшего специальную нанообработку, которая изменила его свойства, сделала прочнее, а также более пластичным по сравнению с обычными стеклянными панелями.

Кроме того, сообщается, что тыльная часть аппарата получила янтарную окраску, которая изменяет цвет под разными углами падения света. Стеклянная крышка устройства будет окружена металлической рамкой, которая не только сделает его прочнее, но и добавит премиальности в его внешний вид.

Дебют Nubia Play состоится 21 апреля. Устройство позиционируется в верхней части среднего ценового сегмента. Новинка работает на базе процессора Qualcomm Snapdragon 765G, использует батарею ёмкостью 5100 мА·ч и сможет предложить экран с частотой обновления 144 Гц.

Китайские учёные для охлаждения процессоров предлагают научить их потеть

Фраза «над этой задачей вашему процессору придётся попотеть» может потерять иносказательное выражение и оказаться буквальной в своём высказывании. Представляется шуткой? Отнюдь. Современные знания о нанопористых материалах позволяют создавать пассивные радиаторы с эффективным отводом тепла при испарении воды.

Согласно идее ученых из Шанхайского университета Джао Тонг в Китае, если млекопитающие научились эффективно охлаждать себя в процессе испарения воды кожным покровом, то почему бы не охлаждать испарением электронику? В серии экспериментов с нанопористыми материалами покрытия выяснилось, что предложенный метод отлично проявил себя в небольших формфакторах, где оказался эффективнее активных систем охлаждения с вентиляторами.

За основу материала для «потеющего» покрытия учёные взяли так называемую металл-органическую каркасную структуру (MOF). Это решётчатая структура с порами от нескольких нанометров. Опытный материал на основе хрома получил название MIL-101. В ходе проверки концепции материал MIL-101 нанесли тончайшим слоем на металлическую подложку. Этот пористый слой толщиной всего 1 мкм за 25 минут охладил подложку на 8,6 °C при нагреве мощностью 1,5 Вт.

Важно отметить, что «потеющий» радиатор не требует для своей работы резервуара с запасом воды. Всю необходимую для работы влагу он вбирает в себя из окружающего воздуха во время простоя (при отсутствии нагрева и испарения). И чем больше пор или чем толще покрытие (до разумных пределов), тем интенсивнее происходит испарение и отвод тепла.

Современные системы пассивного отвода тепла от электроники часто используют рассеивание на эффекте фазового перехода состояния вещества. Вещества на основе или подобные воску при нагреве плавятся и поглощают энергию. По сравнению с этой технологией, часто использующейся в аэрокосмической технике, предложенный метод испарения влаги пористым покрытием действует в 10 раз эффективнее.

Другой важной областью применения «потеющих» материалов представляется мягкая или гибкая робототехника. Вместо громоздких систем отвода тепла с помощью вентиляторов, которые в ряде случаев просто невозможно будет установить, потеющая поверхность корпуса станет простым ответом на вопрос, как охладить робота.

Российская нанопроволока поможет в создании гибкой электроники

Новая технология, разработанная российскими исследователями, позволит создавать уникальные прозрачные электроды для гибкой электроники и солнечной энергетики.

ТПУ

ТПУ

В работе приняли участие специалисты Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ), а также их коллеги из Китая и Германии. Результаты исследования, как отмечает «РИА Новости», обнародованы в журнале Nanomaterials.

Специалистам удалось создать новый вид нанопроволоки. Она может стать основой гибких электродов с решётчатой структурой: такие изделия способны пропускать более 95 % света.

Кроме того, технология обеспечивает более высокую проводимость по сравнению с другими электродами из серебряных нанопроволок. А это поможет улучшить характеристики конечных продуктов.

Фото участников исследования

Фото участников исследования

Отношение диаметра к длине у новой нанопроволоки составляет 1:3100: это более чем в полтора раза превосходит соответствующий показатель лучших аналогов.

Предполагается, что предложенная технология будет востребована в области оптоэлектроники. Решение позволит улучшить характеристики солнечных батарей и различных дисплеев. Кроме того, нанопроволока нового типа поможет в создании гибких электронных устройств. 

Российская разработка упростит внедрение космических нанотехнологий

Государственная корпорация Ростех сообщает о том, что в нашей стране разработан передовой программный комплекс, который поможет в развитии нанотехнологий для космической сферы.

Экспериментальное решение создано специалистами НИИ программных средств холдинга «Росэлектроника» (входит в Ростех). Программная платформа осуществляет численное моделирование воздействия на наноструктуры внешних факторов и прогнозирует изменение характеристик материалов в зависимости от тепловых и механических нагрузок.

Предполагается, что система поможет в подборе оптимальных наноматериалов для различных элементов космической техники. Это может быть, скажем, тепловая защита спутников. Кроме того, комплекс пригодится при проектировании новых гибридных наноструктур и устройств на их основе.

Система выполняет инженерно-физические расчёты без ограничения по количеству задач, моделей и сложности. Создатели реализовали новый подход к пространственной 3D-визуализации атомных структур, который включает современные средства анализа микроскопических свойств материалов с учётом возможных дефектов.

В целом, как отмечает Ростех, практическое внедрение программного комплекса поможет повысить надёжность и эффективность космической техники. «Использование наноматериалов позволяет улучшить технические характеристики летательных аппаратов, в том числе увеличивает срок их эксплуатации и снижает энергозатраты», — говорится в публикации. 

Американские учёные создали транзистор со встроенной памятью FeRAM

Исторически сложилось, что обработка и хранение данных происходят в разных устройствах. Объединить вычислительные элементы и ячейки памяти в один электронный прибор означает нечто большее, чем умножить плотность размещения элементов на кристалле. Транзистор с памятью ― это заявка на имитацию структуры головного мозга человека со всеми вытекающими преимуществами, вплоть до создания сети Skynet. Шутка.

Purdue University/Vincent Walter

Purdue University/Vincent Walter

Начало опытного производства встраиваемой памяти STT-MRAM компаниями Intel, Samsung и другими разработчиками приближает осуществление вычислений в памяти. Магниторезистивный туннельный переход можно встраивать в контактную группу непосредственно под транзистором, что делает структуру вентиль-ячейка (1Т1C) довольно плотной. Ещё большей плотности можно достичь, если использовать сегнетоэлектрическую (ферроэлектрическую) ячейку памяти, совмещённую с транзистором, заявляют разработчики из американского исследовательского центра Purdue Discovery Park Birck Nanotechnology Center Университета Пёрдью.

В декабрьском выпуске журнала Nature Electronics учёные рассказали об исследовании, в котором они сумели создать полевой транзистор со встроенным туннельным переходом из сегнетоэлектрика. Традиционно сегнетоэлектрики относятся к диэлектрикам, материалам с изолирующими свойствами. Они обладают настолько широкой запрещённой зоной, что электроны не могут через неё проникать, тогда как полупроводники и, в частности, кремний легко проводят электроны.

Кроме этих свойств, у сегнетоэлектриков есть ещё одно качество, которое препятствует созданию ячеек памяти на одном кристалле кремния с транзисторами. Кремний не сочетается напрямую с сегнетоэлектрическими материалами. Он «отравляется» ими, как заявляют учёные. Чтобы не допустить этого негативного эффекта и создать ячейку FeRAM в составе транзистора, удалось подобрать полупроводниковый материал со свойствами сегнетоэлектрика.

Этим материалом стал селенид альфа-индия. У этого материала небольшая ширина запрещённой зоны и он может пропускать электричество. Поскольку это полупроводник, ничто не препятствует его сочетанию с кремнием. Исследование, опыты и моделирование показали, что полевой транзистор на основе селенида альфа-индия при должной оптимизации может превзойти существующие полевые транзисторы и привнести в эти элементы ячейки памяти. Толщина туннельного перехода на данном материале может составлять 10 нм и даже быть тоньше ― до одного слоя атомов. Это обещает высочайшую плотность размещения ячеек памяти, что позволит сделать шаг к созданию электронного «мозга». Добавим: это исследование в основном финансируют военные США, что возвращает нас к тому, что шутка о Skynet может оказаться вовсе не шуткой.

Учёные создали материал со свойствами теплового коммутатора

Группа учёных из Университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University) из Департамента инженерной механики разработала полимер со свойствами теплового коммутатора. Предложенный материал способен сам переключать своё состояние (структуру) из проводящего тепло в состояние изоляции тепла. Что важно, процесс переключения из одного состояния в другое полностью обратимый и управляется только за счёт изменения температуры материала и окружающей среды.

Профессор Шен Чен и его ассистенты

Профессор Шен Чен из Университета Карнеги-Меллона и его ассистенты

Изобретение, как полагает руководитель группы исследователей профессор Шен Чен (Sheng Shen), способно привести к появлению новых твёрдотельных холодильных установок, систем сброса тепла и новых методов охлаждения электроники. Данные о работе опубликованы в журнале Science Advances в статье «High-Contrast and Reversible Polymer Thermal Regulator by Structural Phase Transition».

В ходе исследований был получен полимер с изначально высокоупорядоченной кристаллической структурой, которая, как известно, способствует эффективной передаче тепла. При нагревании материала до 340 К (66,85 °C) структура материала изменяется до гексагональной (шестиугольной). Такое строение уже препятствует тепловой проводимости, и материал становится изолятором для тепла. К этому приводит ослабление связей между молекулами полимера, что меняет структуру материала. Но это состояние обратимое. После охлаждения до заданной температуры структура материла вновь становится кристаллической и обретает свойства теплопроводности.

В природе существуют материалы, которые при нагреве могут менять теплопроводность в 4 раза. Предложенный полимер способен в 10 раз увеличивать и уменьшать свою теплопроводность, что делает его потенциально пригодным для создания нового типа холодильных или охлаждающих установок.

Переключение в обе стороны происходит быстро в коротком интервале температур в диапазоне 5 K Материал остаётся стабильным (не плавится) до 560 К или, говоря понятным большинству языком, до 286,85 °C. Ни один из существующих тепловых коммутаторов на основе актуальных материалов не выдерживает подобных температур.

Fujitsu придумала, как уменьшить размеры погодных радаров и оборудования 5G

Японская компания Fujitsu Limited и её подразделение Fujitsu Laboratories разработали технологию, которая позволит эффективно отводить тепло от мощнейших высокочастотных транзисторов на переходах из нитрида галлия (GaN). Речь идёт о так называемых HEMT-транзисторах или, по-русски, о транзисторах с высокой подвижностью электронов (ВПЭ). Такие транзисторы используются в трактах высокочастотных усилителей в погодных радарах и в базовых станциях сотовой связи. Повышение эффективности отвода тепла от HEMT GaN обещает уменьшить размеры систем охлаждения и, соответственно, позволит выпускать компактные радары и станции.

Для эффективного отвода тепла от подложки нужны алмазные кристаллы больших размеров (Fujitsu)

Для эффективного отвода тепла от подложки нужны алмазные кристаллы больших размеров (Fujitsu)

Повысить рассеивание тепла от транзисторов помогает выращенная на их поверхности алмазная плёнка. Но выращенная не просто так, а с использованием особой технологии. Дело в том, что размеры кристаллов алмаза в составе плёнки зависят от температуры техпроцесса. В обычных условиях кристаллы вырастают до нескольких микрометров, что делает их отличным решением для отвода тепла от подложки. Но до таких размеров кристаллы растут только при высокой температуре от 950 °C. Однако нагрев до такой температуры разрушает GaN-подложку (транзисторы). Транзисторы могут выдержат нагрев только до 650 °C.

Слева изображение «голого» транзистора, а справа транзистор покрыт нанокристаллами алмаза (Fujitsu)

Слева изображение «голого» транзистора, а справа транзистор покрыт нанокристаллами алмаза (Fujitsu)

В свою очередь, при нагреве до 650 °C кристаллы в алмазной плёнке растут только до нескольких сотен нанометров в размере. Множество мелких кристаллов в плёнке не могут создать сквозной канал для отвода тепла от подложки. На это способны только кристаллы относительно больших размеров: в 1000 раз больше. Но исследователи в Fujitsu выяснили, что заставить нанокристаллы алмаза расти до нужных размеров можно даже при низкой температуре.

В результате экспериментов выяснилось, что рост кристаллов в алмазной плёнке до нужных размеров в несколько микрометров при температуре около 650 °C происходит тогда, когда в самом начале роста на подложке (транзисторе) формируются кристаллы в строго заданном направлении. Выяснилось, что эффективность отвода тепла с алмазной плёнкой поверх перехода достигает 40 %. Это позволяет снизить рабочую температуру GaN HEM-транзисторов на 100 °C без использования систем охлаждения и, следовательно, даёт возможность уменьшить габариты систем охлаждения.

Коммерческий выпуск транзисторов GaN HEM с использованием новой технологии выращивания алмазной плёнки компания начнёт в 2022 году. На следующем этапе исследователи планируют вырастить алмазную плёнку с обеих сторон транзистора, что даст уже 77 % эффективности в отводе тепла от кристалла.

Учёные создали электрооптическое наноустройство для быстрой памяти и процессоров

Первое в мире интегрированное наноразмерное устройство, программируемое с помощью фотонов или электронов, было разработано учёными исследовательской группы профессора Хариша Бхаскарана (Harish Bhaskaran) из Оксфордского университета в сотрудничестве с исследователями из Мюнстерского и Эксетерского университетов.

Команда создала первое в своём роде электрооптическое устройство, которое позволяет соединить области оптических и электронных вычислений. Оно, как сообщается, является элегантным решением для создания более быстрой и более энергоэффективной компьютерной памяти и процессоров.

Вычисления со скоростью света — заманчивая перспектива, и с этими наработками подобное может стать реальностью. Хотя ранее было продемонстрировано использование света для выполнения различных вычислительных процессов, до сих пор не было компактного устройства для взаимодействия с электронной архитектурой традиционных компьютеров. Несовместимость электрических и основанных на свете вычислений проистекает из принципиально различных объёмов взаимодействия электронов и фотонов — длина волны света намного больше, чем у электронов.

Чтобы преодолеть эту фундаментальную проблему, команда учёных придумала решение для ограничения света в наноскопических размерах — это подробно описано в статье «Устройства с фазовым переходом, плазменным наноразмерным усилением и двойной электрооптической функциональностью», опубликованной 29 ноября в Science Advances. Исследователи объединили концепции интегрированных технологий фотоники, плазмоники и электронной памяти, чтобы создать компактное устройство, которое может работать одновременно как оптическая и как электрическая память, а также выступать в качестве процессора. Информация может храниться и обрабатываться с использованием световых или электрических сигналов, или даже любой их комбинации.

«Это очень многообещающий путь развития для тех областей вычислений, где требуется высокая эффективность обработки», — считает один из авторов Николаос Фармакидис (Nikolaos Farmakidis) из Оксфордского университета. Другой соавтор, Натан Янгблад (Nathan Youngblood), продолжил: «Речь идёт, естественно, об искусственном интеллекте, где требования к высокопроизводительным вычислениям с низким энергопотреблением намного превышают наши текущие возможности. Считается, что сопряжение фотонных вычислений на основе света с электрическим аналогом является ключом к следующему этапу развития технологий CMOS».

Участвовавший в работе профессор Дэвид Райт (David Wright) из Эксетерского университета добавил: «Электронные и фотонные вычисления имеют свои преимущества и недостатки: возможно, используя подобные разработанным нами устройства, в конечном итоге мы можем получить лучшее из обоих миров, беспрепятственно работая в обеих областях».

Ученые из МФТИ сделали шаг к появлению новой «флешки»

Создание и разработка устройств для энергонезависимого хранения цифровых данных ведётся на протяжении многих десятилетий. Настоящий прорыв чуть меньше 20 лет назад совершила память типа NAND, хотя её разработка стартовала ещё лет на 20 раньше. Сегодня, спустя примерно полвека после начала широкомасштабных исследований, начала производства и постоянных усилий по совершенствованию NAND, этот тип памяти близок к исчерпанию своих возможностей для развития. Необходимо закладывать основу для перехода на иную ячейку памяти с лучшими энергетическими, скоростными и другими характеристиками. В длительной перспективе такой памятью может стать сегнетоэлектрическая память нового типа.

Поперечное сечение изготовленной структуры (МФТИ)

Поперечное сечение изготовленной структуры (МФТИ)

Сегнетоэлектрики (в зарубежной литературе используется термин ферроэлектрики) ― это диэлектрики, которые обладают памятью о приложенном электрическом поле или, иначе говоря, характеризуются остаточной поляризацией зарядов. Память на сегнетоэлектриках не является чем-то новым. Проблемой было уменьшить масштаб сегнетоэлектрических ячеек до наноразмерного уровня.

Три года назад учёные в МФТИ представили технологию изготовления тонкоплёночного материала для сегнетоэлектрической памяти на основе оксида гафния (HfO2). Это тоже не уникальный материал. Этот диэлектрик несколько пятилеток подряд использовался для изготовления транзисторов с металлическими затворами в процессорах и другой цифровой логике. На основе предложенных в МФТИ сплавных поликристаллических плёнок оксидов гафния и циркония толщиной 2,5 нм удалось создать переходы с сегнетоэлектрическими свойствами.

Чтобы сегнетоэлектрические конденсаторы (так их стали называть в МФТИ) можно было использовать в качестве ячеек памяти, необходимо добиться максимально возможной поляризации, для чего необходимо детальное изучение физических процессов в нанослое. В частности, получить представление о распределении электрического потенциала внутри слоя при подаче напряжения. До недавнего времени учёные могли опираться лишь на математический аппарат для описания явления, и только сейчас реализована методика, с помощью которой буквально удалось заглянуть внутрь материала в процессе явления.

Команда ученых, проводивших эксперимент, возле установки высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на синхротроне PETRA III, Гамбург. Слева направо: Андрей Глосковский, Юрий Матвеев, Дмитрий Негров, Виталий Михеев и Андрей Зенкевич. Предоставлено Андреем Зенкевичем (МФТИ)

Команда ученых, проводивших эксперимент, возле установки высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на синхротроне PETRA III, Гамбург. Слева направо: Андрей Глосковский, Юрий Матвеев, Дмитрий Негров, Виталий Михеев и Андрей Зенкевич. Предоставлено Андреем Зенкевичем (МФТИ)

Предложенная методика, которая опирается на высокоэнергетическую рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, могла быть реализована только на специальной установке (ускорителях-синхротронах). Такая находится в Гамбурге (ФРГ). Все эксперименты с изготовленными в МФТИ «сегнетоэлектрическими конденсаторами» на основе оксида гафния прошли в Германии. Статья о проведенной работе опубликована в Nanoscale.

«Созданные в нашей лаборатории сегнетоэлектрические конденсаторы, если их применить для промышленного изготовления ячеек энергонезависимой памяти, способны обеспечить 1010 циклов перезаписи — в сто тысяч раз больше, чем допускают современные компьютерные флешки», — утверждает  Андрей Зенкевич, один из авторов работы, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ. Тем самым к новой памяти сделан ещё один шаг, хотя этих шагов предстоит сделать ещё очень и очень много.

Бронежилеты из полимеров можно сделать прочнее и долговечнее

Группа учёных из Университета Брауна (Brown University) изучила проблему, которая долго оставалась без решения. Так, в своё время для бронежилетов был предложен чрезвычайно прочный полимер PBO (полибензоксазол). На основе полибензоксазола выпускались серийные бронежилеты для армии США, но через какое-то время они были отозваны. Выяснилось, что этот материал бронежилетов подвержен непредсказуемому разрушению под воздействием влаги. Это не мешает выпускать и продавать бронежилеты из тех или иных модификаций PBO под торговой маркой Zylon, но надёжность материалов всё ещё оставляет желать лучшего.

Проблема с надёжностью PBO заключается в том, что для разложения цепочек полимеров в процессе изготовления материала используется крайне агрессивная полифосфорная кислота (PPA). Кислота работает как растворитель и как катализатор. Молекулы кислоты, оставшиеся в молекулах полимера, впоследствии дают о себе знать в процессе эксплуатации бронежилетов неожиданным разрушением материала. Если заменить PPA на что-то безвредное, то эксплуатационные качества PBO-полимеров можно резко улучшить, но чем?

Учёные из Университета Брауна в качестве катализатора для выстраивания  молекулярных цепочек PBO предложили сплав из наночастиц золота (Au) и палладия (Pd). В ходе эксперимента было выявлено оптимальное соотношение одного и другого ― 40 % золота и 60 % палладия ― которое максимально ускоряло производство полимера. При этом растворителем выступила муравьиная кислота ― экологически чистое и возобновляемое сырьё. В целом новый технологический процесс вышел менее энергоёмким и не таким дорогим, как с использованием полифосфорной кислоты.

8-нм частицы золота и палладия в нужной пропорции повысили качество высокопрочного полимера

8-нм частицы золота и палладия в нужной пропорции повысили качество высокопрочного полимера

После изготовления достаточных объёмов полимера PBO новым способом его испытали в ходе многодневного кипячения в воде и кислоте. Материал не подвергся деградации, что даёт надежду на существенное увеличение эксплуатационных качеств бронежилетов с его использованием. Статья, посвящённая данному исследованию, опубликована в журнале Matter.

Учёные всё ближе к созданию полностью оптических нейронных сетей

Нейронные сети лучше всего справляются с такими сложными задачами, как распознавание лиц и голоса, но их реализации на базе классических электросхем крайне ограничены в быстродействии и имеют очень высокое энергопотребление. Теоретически оптика может решить эти проблемы, а также превзойти электронные аналоги в матричных вычислениях, широко применяемых в нейронных сетях. Тем не менее, её применение было ограничено из-за неспособности выполнять некоторые сложные вычисления, но сейчас новые эксперименты показали, что полностью оптические нейронные сети всё-таки могут справиться с этими задачами, а значит появление новых сверхбыстрых оптических систем искусственного интеллекта в ближайшем будущем становится вполне реальным.

Оптически нейронные сети во многом превосходят электронные, а потому учёные крайне заинтересованны разработать их рабочие прототипы и, кажется, что исследователям из Института физики в Мюнстерском университете и их коллегам из Гонконгского университета науки и техники удалось достичь значительных успехов в этом направлении

Оптически нейронные сети во многом превосходят электронные

Ключевая и наиболее привлекательная черта нейронных сетей — огромное количество взаимосвязей, которые образуют нейроны, подобно их биологическим аналогам в человеческом мозге. Эти связи дают им высокую способность к параллелизму, что позволяет выполнять множество операций одновременно, делая их гораздо более эффективными в задачах по распознаванию лиц или голоса, чем традиционные компьютерные системы, которые выполняют одну или несколько инструкций за раз.

Современные электронные нейронные сети достигают размера до восьми миллионов нейронов, но их будущее применение для искусственного интеллекта может быть ограничено из-за высокого энергопотребления и ограниченного параллелизма в соединениях. В то время как оптические соединения через линзы по своей сути параллельны изначально. Например, линза в вашем глазу фокусирует сразу весь поступающий свет на сетчатку в задней части глаза, где расположено множество детектирующих свет нервных клеток. Затем каждая клетка непрерывно передаёт оптический сигнал нейронам мозга, которые их обрабатывают, чтобы показать нам итоговое изображение.

Стеклянные линзы обрабатывают оптические сигналы путём фокусировки света, выполняя сложную математическую операцию, называемую преобразованием Фурье, которое помогает транслировать сигнал из аналогового вида в цифровой. Например, одним из применений преобразований Фурье является преобразование временных изменений интенсивности сигнала в график частот, присутствующих в сигнале. Военные использовали этот приём в 1950-х годах, чтобы преобразовать необработанные радиолокационные сигналы, записанные летящим самолётом, в трёхмерное изображение ландшафта. Сегодня это преобразование без проблем осуществляется современными компьютерами, а вот ламповые компьютеры 1950-х годов не справлялись с этой задачей.

Разработка нейронных сетей для искусственного интеллекта началась с их моделирования на классических компьютерах, но в таком виде ИИ был ограничен из-за медленной обработки данных и необходимости в значительных вычислительных ресурсах. Через некоторое время были разработаны гибридные нейронные сети, в которых оптика выполняет простые линейные операции, а электроника занимается более сложными нелинейными вычислениями. И вот сейчас две независимые группы исследователей продемонстрировали достаточно простые и полностью оптические нейронные сети, которые выполняют всю обработку данных самостоятельно.

Схематичное изображение нейронной сети из научной работы группы Вольфарама Перниса

Схематичное изображение нейронной сети из научной работы группы Вольфарама Перниса

В мае Вольфрам Пернис (Wolfram Pernice) из Института физики Мюнстерского университета в Германии и его коллеги сообщили о тестировании полностью оптического «нейрона», использующего специальный материал, изменяющий своё состояние при получении сигнала между жидким и твёрдым, что позволило использовать его для оптического хранения данных. С его помощью они продемонстрировали нелинейную обработку данных и выходные импульсы, похожие на импульсы органических нейронов. Затем учёные создали интегрированную фотонную схему, которая включала в себя четыре таких оптических нейрона, работающих на разных длинах волн, каждый из которых был подключен к 15 оптическим синапсам. Данная схема включала около 140 компонентов и смогла распознавать простые оптические структуры. Исследователи утверждают, что их устройство является масштабируемым, и в будущем данная технология обещает «доступ к высокой скорости и пропускной способности, присущей оптическим системам, что позволит напрямую обрабатывать оптические телекоммуникационные и визуальные данные». Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Многослойная полностью оптическая нейронная система разработанная учёными из Гонконга

Многослойная полностью оптическая нейронная система, разработанная учёными из Гонконга

Теперь группа из Гонконгского университета науки и технологии опубликовала научную работу в журнале Optica, где они описали, как им удалось создать полностью оптическую нейронную сеть, основанную уже на другом физическом процессе — электромагнитно-индуцированной прозрачности, эффекте, при котором свет влияет на то, как атомы перемещаются между квантово-механическими уровнями энергии. «Этот процесс является нелинейным и может быть инициирован очень слабыми световыми сигналами», — объясняет Шенгванг Ду (Shengwang Du), профессор физики и соавтор статьи.

В своём эксперименте они подвергли воздействию света атомы рубидия, охлаждённые лазерами до примерно 10 микрокельвинов (на 10 микроградусов выше абсолютного нуля). Хотя метод может показаться необычайно сложным, как утверждает Ду, данная технология является наиболее простой и доступной для использования в лаборатории из тех, что могли дать желаемый эффект. «Будучи чисто квантовой атомной системой, она идеально подходит для этого эксперимента, чтобы доказать сам принцип работы», — утверждает он.

В будущем группа Шенгванга планируют увеличить размер системы при помощи использования горячего атомного пара, который является менее дорогим, не требует трудоёмкой подготовки по охлаждению атомов и в дальнейшем может быть интегрирован с фотонными чипами.

«Их демонстрация кажется верной и работоспособной», — комментирует Фолькер Зоргер (Volker Sorger), инженер-электрик из Университета Джорджа Вашингтона. Он соглашается, что полностью оптический подход очень привлекателен, так как предлагает очень высокий параллелизм, но частота обновления нейронов, по его мнению, в проекте Шенгванга составит примерно 100 герц из-за используемых в них жидких кристаллов, и потому Волкер не совсем уверен, что такую систему возможно масштабировать без ошибок.

Учёные создали новую форму вычислений, использующую свет

Аспиранты Университета МакМастер под руководством доцента химии и химической биологии Калайчелви Сараванамутту (Kalaichelvi Saravanamuttu) описали новый вычислительный метод в статье, опубликованной в научном журнале Nature. Для вычислений ученые использовали мягкий полимерный материал, который превращается из жидкости в гель в ответ на свет. Учёные называют этот полимер «автономным материалом следующего поколения, который реагирует на стимулы и выполняет интеллектуальные операции».

Фариха Махмуд показывает, как работает новая технология. (Фото: Университет МакМастер)

Фариха Махмуд (Fariha Mahmood), соавтор исследования, показывает, как работает новая технология. (Фото: Университет МакМастер)

Вычисления при помощи данного материала не требуют источника питания и полностью работают в видимом спектре. Эта технология относится к разделу химии, называемому нелинейной динамикой, который изучает материалы, разработанные и изготовленные для создания специфических реакций на свет. Для проведения вычислений исследователи пропускают многослойные полосы света через верхнюю и боковые стороны крошечного стеклянного футляра, в котором находится полимер янтарного цвета, размером примерно с игральную кость. Полимер вначале имеет форму жидкости, но под воздействием света превращается в гель. Нейтральный луч проходит через куб сзади к камере, которая считывает результат изменения материала в кубе, компоненты которого самопроизвольно формируются в тысячи нитей, которые реагируют на структуры света, создавая трёхмерную конструкцию, которая выражает результат вычислений. При этом материал в кубе реагирует на свет интуитивно почти так же, как растение поворачивается к солнцу, или каракатица меняет цвет своей кожи.

Компьютерная визуализация вычислительных нитей образованных внутри мягкого полимера. (Изображение: Университет МакМастерс)

Компьютерная визуализация вычислительных нитей образованных внутри мягкого полимера (Изображение: Университет МакМастерс)

«Мы очень рады, что можем делать сложения и вычитания таким образом, и мы думаем о способах выполнения других вычислительных функций» — говорит Сараванамутту.

«У нас нет цели конкурировать с существующими компьютерными технологиями», — говорит соавтор исследования Фариха Махмуд, студентка магистратуры по химии. «Мы пытаемся создавать материалы с более интеллектуальными и изощрёнными ответными реакциями».

По словам ученых, новый материал открывают путь к удивительным приложениям, от автономного зондирования с низким энергопотреблением, включая тактильную и визуальную информацию, до систем искусственного интеллекта.

«При стимулировании электромагнитными, электрическими, химическими или механическими сигналами эти гибкие полимерные архитектуры переходят между состояниями, демонстрируя дискретные изменения физических или химических свойств, которые можно использовать в виде биосенсоров, для контролируемой доставки лекарств, настройки разрыва фотонных полос, деформации поверхностей и много другого», — рассказывают ученые.

Учёные создали пиксель в миллион раз меньше, чем у экранов современных смартфонов

В пятницу группа британских учёных из Кембриджского университета опубликовала в журнале Science Advances статью с рассказом о разработке перспективной технологии для производства сравнительно недорогих экранов практически неограниченных размеров. Пусть вас не смущает упоминание пятницы и набившего оскомину словосочетания британские учёные. Всё по-честному и серьёзно. Исследование базируется на изучении и использовании давно известных квазичастиц плазмонов в рамках физических явлений плазмоники. Если вкратце, плазмоны представляют собой облако электронов на поверхности материала. Они обладают определёнными коллективными свойствами и в зависимости от ряда факторов могут излучать свет в видимом диапазоне с заданной длиной волны (цветом).

University of Cambridge

University of Cambridge

Учёные из Кембриджа разработали технологию массового производства экранов на основе плазмонов. Мельчайшие частицы золота покрывались токопроводящим пластиком полианилином и равномерно разбрызгивались по пластиковой поверхности с предварительно нанесённым на неё зеркальным покрытием. Каждая гранула золота на поверхности ― это основа для миниатюрного пикселя, размеры которого в миллион раз меньше, чем у экранов современных смартфонов. Технология очень проста для массового производства, на чём настаивают разработчики. Подобные экраны с миллиардами пикселей на каждый метр можно выпускать непрерывной лентой с высокой скоростью. Речь идёт о производстве гибких дисплеев буквально размерами со стену многоэтажного дома.

Падающий на такой экран свет попадает в ловушку между покрытыми пластиком наночастицами золота. Токопроводящий пластик покрытия под воздействием управляющего напряжения заданным образом меняет химические свойства и вызывает изменение длины волны отражённого света в широком спектре (длина волны может снижаться до 100 нм и меньше). Пиксель начинает светиться заданным цветом и, что важно, такое состояние бистабильное, что не требует питания для удержания выбранного цвета.

advances.sciencemag.org

advances.sciencemag.org

Перспективы у подобных экранов огромные ― от информационных до камуфлирующих. Высочайшее разрешение позволит скрыть бойца даже на открытой местности, а применение в архитектуре откроет путь к новым и необычным решениям. Дисплеи для электроники тоже получат толчок к развитию. Они будут хорошо читаться в ярком солнечном свете и перестанут быть самыми активными пожирателями заряда аккумуляторов. Но до этого ещё предстоит пройти большой путь, совершенствуя и развивая технологию. В частности, команда учёных начала работать над расширением цветового диапазона дисплеев на основе представленной технологии. Подробнее о разработке можно узнать в статье в Science Advances. Для её прочтения (на английском языке) регистрация не требуется.

Российские физики с русскими коллегами из США и Франции создали «невозможный» конденсатор

Некоторое время назад в издании Communications Physics вышла научная статья «Harnessing ferroelectric domains for negative capacitance», авторами которой стали российские физики из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) Юрий Тихонов и Анна Разумная, физики из французского Университета Пикардии имени Жюля Верна Игорь Лукьянчук и Анаис Сен, а также материаловед из Аргоннской национальной лаборатории Валерий Винокур. В статье рассказано о создании «невозможного» конденсатора с отрицательной ёмкостью, который был предсказан десятилетия назад, но получил практическое воплощение только теперь.

Смещение доменой стены - зоны разделения полярности - под воздействием внешнего управляющего напряжения (Argonne National Laboratory)

Смещение доменной стены ― зоны разделения полярности ― под воздействием внешнего управляющего напряжения (Argonne National Laboratory)

Разработка обещает революцию в электронных цепях полупроводниковых устройств. Пара из «отрицательного» и обычного конденсатора с положительным зарядом, соединённая последовательно, повышает уровень входного напряжения в заданной точке выше номинального значения до необходимого для работы конкретных участков электронных цепей. Иными словами, процессор может питаться сравнительно низким напряжением, но те участки цепей (блоки), которым для работы необходимо повышенное значение напряжения, с помощью пар «отрицательных» и обычных конденсаторов получат контролируемое питание с увеличенным вольтажом. Это обещает улучшить энергоэффективность вычислительных цепей и многое другое.

До данной реализации отрицательных конденсаторов аналогичный эффект достигался кратковременно и только с соблюдением специальных условий. Российские учёные вместе с коллегами из США и Франции придумали устойчивую и простую структуру отрицательных конденсаторов, подходящую для массового производства и для работы в обычных условиях.

Разработанная физиками структура отрицательного конденсатора представляет собой две разделённые области, каждая из которых содержит наночастицы ферроэлектрика с зарядом с одинаковой полярностью (в советской литературе они назывались сегнетоэлектрики). В обычном состоянии ферроэлектрики имеют нейтральный заряд, что происходит из-за произвольно ориентированных доменов внутри материала. Учёные сумели развести наночастицы с одинаковым зарядом по двум раздельным физическим областям конденсатора ― каждые в свою область.

На условной границе между двумя разнополярными областями тут же возникла так называемая доменная стена ― область изменения полярности. Оказалось, что доменную стену можно перемещать, если к одной из областей структуры подвести напряжение. Смещение доменной стены в одном направлении стало эквивалентно накоплению отрицательного заряда. Причём, чем сильнее заряжается конденсатор, тем ниже напряжение на его обкладках. В обычных конденсаторах всё не так. Повышение заряда ведёт к увеличению напряжения на обкладках. Поскольку отрицательный и обычный конденсатор включены последовательно, процессы не нарушают закон сохранения энергии, но приводят к появлению интересного явления в виде наращивания напряжения питания в нужных точках электронной цепи. Любопытно увидеть, как эти эффекты будут реализованы в электронных цепях.

В нанопроцессорах транзисторы могут быть заменены магнитными вентилями

Группа исследователей из Института Пауля Шеррера (Филлиген, Швейцария) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха исследовала и подтвердила работу интересного феномена магнетизма на атомарном уровне. Нетипичное поведение магнитов на уровне нанометровых кластеров предсказал ещё 60 лет назад советский и американский физик Игорь Ехиельевич Дзялошинский. Исследователи из Швейцарии смогли создать такие структуры и теперь пророчат им светлое будущее не только в качестве решений для хранения данных, но также, что очень необычно, как замену транзисторам в процессорах с наномасштабными элементами.

Colourbox

Colourbox

В нашем мире стрелка компаса всегда указывает на север, что даёт возможность узнать направление на восток и на запад. Разнополярные магниты притягиваются, а однополярные отталкиваются. В микромире масштаба нескольких атомов в определённых условиях магнитные процессы происходят иначе. При ближнем взаимодействии атомов кобальта, например, соседние области намагниченности рядом с ориентированными на север атомами ориентируются на запад. Если ориентация изменится на южную, то атомы в соседней области изменят ориентацию намагниченности в направлении востока. Что важно, управляющие атомы и атомы ведомые расположены в одной плоскости. Раньше подобный эффект наблюдался только у вертикально расположенных атомных структур (друг над другом). Расположение управляющих и управляемых участков в одной плоскости открывает путь к проектированию вычислительных и запоминающих архитектур.

Изменять направление намагниченности управляющего слоя можно как электромагнитным полем, так и с помощью тока. С помощью таких же принципов происходит управление транзисторами. Только в случае наномагнитов архитектура может получить толчок к развитию как по производительности, так и по экономии потребления и по уменьшению площади решений (уменьшение масштаба техпроцесса). Вентилями в данном случае будут работать связанные зоны намагниченности, управляемые переключением намагниченности основных зон.

Paul Scherrer Institute/Zhaochu Luo

Paul Scherrer Institute/Zhaochu Luo

Феномен связанной намагниченности был выявлен в особенной конструкции массива. Для этого слой кобальта толщиной 1,6 нм был окружён сверху и снизу подложками: снизу из платины, а сверху из оксида алюминия (на картинке он не показан). Без этого связанной намагниченности север-запад и юг-восток не происходило. Также обнаруженный феномен может привести к появлению синтетических антиферромагнетиков, это тоже может открыть путь к новым технологиям для записи данных.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥