Элементная база компьютера. Развитие твердотельной электроники. Технологии микроэлектроники. Развитие нанотехнологии.
Современная элементная база и перспективы развития Компьютеры для коммерческого и домашнего использования продолжают строиться на основе микропроцессоров, так как данная технология является относительно дешевой и при этом позволяет достичь значительной производительности. Суперкомпьютеры же разрабатываются на основе искусственных нейронных сетей, которые используют массовый параллелизм и способность к обучению и обобщению на основе большого количества взаимосвязанных процессоров невысокой вычислительной способности. Одной из появившихся недавно элементных баз также является искусственный биокомпьютер - компьютер, который функционирует как живой организм или содержит биологические компоненты. Создание биокомпьютеров основываются на направлении в исследовании - молекулярные вычисления. В качестве вычислительных элементов используются белки и нуклеиновые кислоты, реагирующие друг с другом. § Твёрдотельная электроника — раздел промышленной электроники, в котором изучаются физические принципы работы, функциональные возможности твердотельных приборов и правила их использования в электронике. С начала 50-х годов интенсивно развивается твердотельная электроника, прежде всего полупроводниковая. В начале 60-х годов возникла микроэлектроника - наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой технологии их изготовления. Возникновение микроэлектроники вызвано непрерывным усложнением функций и расширением областей применения электронной аппаратуры, что требовало уменьшения ее габаритов и массы, повышения быстродействия и надежности. В 1960 г. Мейманом был создан первый лазер - рубиновый, работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку, которая имеет огромную мощность. Интенсивные исследования в области нанотехнологий, активизировавшиеся на рубеже XX—XXI вв., стали двигателем происходящих ныне кардинальных изменений в промышленном производстве, привели к качественному скачку в развитии методов и средств обработки информации, получения электрической энергии, синтеза новых материалов на основе передовых научных подходов к познанию материи. Еще до наступления «наноэры» люди сталкивались с наноразмерными объектами и протекающими на атомно-молекулярном уровне процессами, использовали их на практике. Например, на наноуровне происходят биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, катализ в химическом производстве, брожение, идущее при изготовлении вина, сыра, хлеба. Однако так называемая «интуитивная нанотехнология», которая первоначально развивалась стихийно, без надлежащего понимания природы происходящего, не могла быть надежным фундаментом в будущем. Поэтому все большую актуальность приобретают научные изыскания, расширяющие горизонты наномира и направленные на создание принципиально новых продуктов и ноу-хау.
26.1 Информационные технологии-это комплекс взаимосвязанных научных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации; вычислительную технику и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические приложения, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы. Сами ИТ требуют сложной подготовки, больших первоначальных затрат и наукоемкой техники. Их внедрение должно начинаться с создания математического обеспечения, формирования информационных потоков в системах подготовки специалистов. Суперкомпью́тер-вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи. Иску́сственные нейро́нные се́ти (ИНС) — математические модели, а также их программные или аппаратные реализации, построенные по принципу организации и функционированиябиологическихHYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BD%D0%B5%D0%B9%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B5%D1%82%D1%8C&action=edit&redlink=1" нейронных сетей — сетей нервных клеток живого организма. Это понятие возникло при изучении процессов, протекающих в мозге, и при попытке смоделировать эти процессы. Первой такой попыткой были нейронные сетиМаккалока и Питтса [1]. Впоследствии, после разработки алгоритмов обучения, получаемые модели стали использовать в практических целях: в задачах прогнозирования, дляраспознаванияHYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2" образов, в задачах управления и др. Для записи информации с высокой плотностью необходим тонкопленочный преобразователь, магнитопровод которого изготовлен из магнитомягкого высокопроницаемого материала. Одним из таких материалов являются пленки FeCoAlO. Магнитная индукция насыщения их составляет примерно 2,4 Тл, а магнитная проницаемость (около 4000) незначительно изменяется при увеличении частоты вплоть до 1 ГГц. Удельное электрическое сопротивление пленок FeCoAlO - приблизительно 45 мкОм*см. Тонкопленочные образцы FeCoAlO осаждались из двух компактных источников: Fe(70%),Co(30%) и Аl2O3 в атмосфере аргона на подложку Аl2O3 - TiC, охлажденную водой до 70 °С. Наблюдения с помощью электронного микроскопа показали, что в образцах FeCoAlO преобладают анизотропные кристаллические зерна, определяющие их одноосную магнитную анизотропию. Такие тонкопленочные материалы обладают сравнительно высокими термостабильностью магнитных свойств и коррозионной стойкостью, что очень важно при их применении для высокоэффективных преобразователей запири. Результаты экспериментальных исследований магниторезистивных материалов со спин-вентильным переходом и их применение для воспроизводящих преобразователей способствовали повышению поверхностной плотности записи информации в магнитных накопителях на жестких дисках. С использованием магниторезистивных материалов в течение последнего десятилетия демонстрировались магнитные накопители, поверхностная плотность записи информации которых существенно увеличивалась: в 1996 г. она составляла 5 Гбит/дюйм2, в 1997 г. - 8, в 1998 г. - 20,4 и в 2001 г. - 106,4 Гбит/дюйм2. Вне всякого сомнения, успех в достижении приведенных показателей определяется внедрением магниторезистивных материалов в сочетании с высококоэрцитивным носителем, позволяющим реализовать запись с высокой плотностью при довольно низком уровне шума.
27.1Энергетическое машиностроение — отрасль производства и обслуживания промышленного оборудования для генерации и передачи электрической энергии. В отрасль входят предприятия по производству турбин, электрических генераторов, силовых трансформаторов для тепловых, атомных и гидроэлектростанций. Станкостроение, ведущая отрасль машиностроения, создающая для всех отраслей народного хозяйства металлообрабатывающие и деревообрабатывающие станки, автоматические и полуавтоматические линии, комплексно-автоматического производства для изготовления машин, оборудования и изделий из металла и др. конструкционных материалов, кузнечно-прессовое, литейное и деревообрабатывающее оборудование. Робототе́хника (от робот и техника; англ. robotics) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем Робототехника опирается на такие дисциплины как электроника, механика, программирование. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.
28.1Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Нанотехнология, нанонаука — это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника. Принципиальное отличие коллоидных систем, к которым относятся облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том, что поверхность таких частиц или огромных молекул чрезвычайно велика по отношению к их объёму. Такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира, такими, как стол, книга, песок. Их поведение, благодаря высокоразвитой поверхности, сильно отличается от поведения и истинных растворов и расплавов, и объектов макромира. Как правило, такие эффекты начинают играть значительную роль, когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров: отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов, о которых идет речь. Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. · Углеродные HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%82%D1%80%D1%83%D0%B1%D0%BA%D0%B8"нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой. · Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. · Графен — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Носители зарядов в графене обладают высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах. · Нанокристаллы · Аэрогель · Наноаккумуляторы — в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионныхаккумуляторов для электромобилей. · Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса. · Биомолекулярная электроника (Нанобиоэлектроника) — раздел электроники и нанотехнологий, в которых используются биоматериалы и принципы переработки информации биологическими объектами в вычислительной технике для создания электронных устройств. В 1974 году А. Авирам и М. Ратнер предложили[1] использовать отдельные молекулы в качестве элементарной базы электронных устройств. Затем М. Конрад предложил концепцию ферментативного нейрона, основанную на непрерывных распределенных средах, обрабатывающих информацию. Эти идеи дали начало квазибиологической парадигме, которая, базируясь на идеях нейронных сетей Мак Каллоха и Питтса, позволила практически реализовать молекулярные нейросетевые устройства, например, на основе белка бактериородопсина. Наноматериалы — Материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нHYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D1%80"мHYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB"[1]. Способы получения наноматериалов можно разделить на две группы: · «сборка из атомов» · «диспергирование макроскопических материалов». 29.1 Машиностроительные технологии - разработка процессов конструирования и производства различных машин и приборов.К ним относятся технические расчёты, выбор материалов и технологии производства, а также проектирование машиностроительных заводов и организация производства на них. 32.1 Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии. Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX — XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.До 1971 года термин «биотехнология» использовался, большей частью, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток, выращиваемых in vitro. Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и информационной технологиях и робототехнике.
|
