Компьютер-Информ || Архив || Рубрики || Поиск || Подписка || Работа || О "КИ" || Карта

Новые технологии

По словам старшего исследователя RTI International доктора Рамы Венкатасубраманиана (Rama Venkatasubramanian), вырабатываемое электричество вряд ли удастся использовать повторно, поскольку чем больше микрорефрижератор поглощает тепла, тем меньше производит электронов.

Каждый из нанокулеров можно размещать с обратной стороны наиболее горячих точек чипа, и общее потребление при этом составит примерно 2-3 ватта. Причем это не постоянное потребление, а лишь в периоды, когда охлаждение необходимо.

Пока удалось добиться снижения температуры на 15 градусов. Путем подбора теплопроводных материалов ученые надеются в тех же условиях добиться охлаждения до 40 градусов.

Для снижения энергопотребления ученые под руководством Кришны Палема (Krishna Palem, профессор Университета Райса и руководитель Института прогрессивной наноэлектроники при Наньянском технологическом университете (Nanyang Technological University, NTU)) и Йео Киат Сенга (Yeo Kiat Seng, доцент NTU и глава направления электрических цепей и систем факультета машиностроения) разработали технологию PCMOS (вероятностный комплементарный металл-оксидный полупроводник, ВКМОП). Они надеются, что вероятностная структура в бытовой электронике может стать базой для энергоэффективных устройств. Кроме систем шифрования, названной в числе других областей применения, эта технология может использоваться и для компьютерной графики. Профессор Палем поясняет, что потоковое видео на мобильном телефоне не нуждается в сопровождении высокоточными вычислениями. Небольшой экран в сочетании со способностью человеческого мозга обрабатывать недостаточно четкие кадры - и в результате изображения выглядят достоверно уже при приблизительно верных расчетах.

Натали Конг Жи Хой (Natalie Kong Zhi Hui) из NTU говорит, что эта технология является важным шагом по направлению к дружественным окружающей среде "зеленым" вычислениям с чрезвычайно высокими показателями энергоемкости. В отличие от традиционных структур, где шум является помехой, в нашей разработке шум играет роль почки - новая технология перерабатывает шум. Созданный микрочип подтверждает преимущества ВКМОП-технологии, которая демонстрирует 30-кратное снижение потребления энергии и в 7 раз более высокую скорость работы, чем у современных КМОП-конструкций.

В противоположность этому сегодняшние кремниевые транзисторы становятся все более и более "шумными" при уменьшении размеров, исторически инженеры борются с этим повышением рабочего напряжения для подавления шумов и обеспечения точных расчетов, повышая потребление энергии. С помощью ВКМОП-технологии вариация характеристики шума является частью структуры и используется как источник достижения значительной экономии энергии.

По мнению Йео, PCMOS также с успехом может применяться при шифровании - операции, основанной на генерации случайных чисел. Это означает, что чип легко включить в состав электронных устройств, поскольку в компьютерных играх, лотереях и криптографии требуются произвольные вычисления. И все это в дополнение к областям, где требуются статистические симуляции, такие как финансовые и экономические прогнозы, которые он позволит выполнять с большей точностью.

Разработанный чип является результатом исследований различных конструкций микросхем, запущенных в 2005 году. Не менее важно, что PCMOS реализуется на основе текущей КМОП-технологии, уже используемой производителями микросхем.

"Концепция развития ВКМОП будет включать появление нового поколения электроники, основанного на принципах математики вероятности. Эти возможности будут востребованы в таких областях, как анализ риска, перцепционная нейробиология, наноустройства и вычисления в графике и мультимедиа", - говорит Палем.

Ученые надеются, что PCMOS-технология выйдет на потребительский рынок, как минимум, через 4 года и сможет стать параллельным CMOS-технологии направлением развития уже в ближайшем будущем.

Ученые из Технологического университета Хельсинки и университета Jyvaskyla, разработали память, элементами которой являются полевые транзисторы из одностенных углеродных нанотрубок. По словам исследователей, время записи/стирания для созданной ими микросхемы составляет около 100 нс, что приблизительно в сто тысяч раз меньше, чем у всех представленных ранее образцов памяти на нанотрубках. Надежность нового устройства также находится на весьма высоком уровне: конструкторы обещают обеспечить поддержание высоких скоростных характеристик на протяжении десяти тысяч циклов записи/стирания. Скорость чтения/записи информации опередила флэш-память на два порядка (в сто раз).

Главное достижение финских ученых - использование на кремниевой подложке для изоляции затвора в качестве изолирующего материала оксида гафния толщиной 20 нм. Этот диэлектрик быстро и эффективно захватывает и высвобождает заряд, благодаря чему удалось снизить время процедуры чтения/записи информации до 100 нс, тогда как предыдущим достижением для "углеродной памяти" являлось значение в несколько миллисекунд, а аналогичный параметр для флэш-памяти составляет микросекунды.

Поверх изолирующего слоя исследователи нанесли несколько капель раствора, содержащего углеродные нанотрубки диаметром от 1,2 до 2,5 нм и длиной от 100 до 360 нм. С помощью атомно-силового микроскопа были определены нанотрубки, которые приняли соответствующее (позволяющее создать на их основе транзистор) положение. Путем добавления палладиевых электродов - стока и истока - из таких экземпляров были сформированы проводящие каналы транзисторов. Сверху вся конструкция была покрыта еще одним слоем оксида гафния, переводящим поверхность в химически неактивное состояние.

Скорость в 100 нс может оказаться не окончательной, ведь пока не ясно - достигнут ли предел скорости записи/чтения информации ячейкой памяти, либо просто измерительное оборудование не способно фиксировать более скоростные процессы. Вполне может оказаться, что производительность памяти куда выше.

Конструкция ячейки памяти в данном случае выглядит следующим образом: углеродная трубка "лежит" в горизонтальном положении и двумя своими концами контактирует с электродами. Непосредственно под ней, отделенный тонким слоем изолятора, располагается затвор, который и управляет процессом чтения/записи информации. Такая структура уже длительное время применяется для создания памяти на основе углеродных нанотрубок, и лишь скоростные параметры устройств оказывались не на высоте. Оксид гафния исправил и этот недочет.

Следующим этапом работ исследователей становится объединение множества ячеек памяти в единую интегральную микросхему - до этого момента проводились исследования единичных ячеек памяти.

Каждый из построенных подобным образом транзисторов может хранить информацию около 42 часов, что, конечно, несравнимо с показателями флэш-памяти. В будущем исследователи планируют добавить слой оксида между затвором и нанотрубкой и устранить указанный недостаток.

Сотрудники Массачусетского университета (University of Massachusetts Amherst) под руководством Джереми Леви изготовили "нанотранзистор" на основе двух керамических материалов - алюмината тантала и титаната стронция. Изначально оба этих соединения являются изоляторами, однако при соединении их друг с другом они становятся проводниками - положительные носители заряда способны протекать через подобную структуру. Посредством атомно-силовой микроскопии, приложением напряжения, исследователи добивались формирования крошечного проводящего мостика между двумя материалами, который впоследствии легко разрушался при протекании заряда противоположного знака.

Точно такие же материалы могут использоваться для создания транзисторов размером с отдельные атомы, а на их основе можно формировать интегральные микросхемы для вычислительных систем, устройств хранения информации и сенсоров самого различного назначения, в том числе и высокоточных детекторов.

Структура была сформирована на пленке из кристалла сапфира посредством self-assembly - процесса, при котором некая система разрозненных частиц самостоятельно собирается в организованную структуру. В результате эксперимента на пленке образовалась решетка из цилиндров гексагональной формы диаметром 3 нм. Исследователи опасались, что дефекты в кристалле приведут к возникновению неоднородностей в матрице, однако этого не случилось. Наоборот, структура решетки получилась одинаковой по всей площади образца.

Каждый из цилиндров включает центральный элемент, который может быть удален растворителем. Таким образом, цилиндр может принимать одно из двух состояний и, тем самым, хранить единицу. По мнению ученых, на основе их разработок может быть создана компьютерная память. 10 трлн бинарных частиц на один квадратный дюйм эквивалентны плотности записи данных 1,14 ТБ на квадратный дюйм. Для сравнения, в современных жестких дисках плотность записи составляет 50 ГБ на квадратный дюйм. Каким образом можно воздействовать на каждый цилиндр в отдельности и как считывать информацию, не говорится.

Группа работала под начальством Тома Рассела (Tom Russell). Статья, посвященная их работе, опубликована в номере журнала Science от 20 февраля 2009 г.

Исследователи из IBM и Стэнфордского университета разработали метод получения трехмерных изображений объектов нанометрового масштаба (порядка 10 нм) с помощью магниторезонансного сканирования (MRI). Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

В основу новой разработки положена технология магниторезонансной силовой микроскопии (magnetic resonance force microscopy, MRFM). Помимо высокого разрешения, новая технология обладает и другими преимуществами по сравнению с рентгеновскими и электронными сканирующими микроскопами - MRFM не разрушает биологические образцы и позволяет получать изображения внутренней структуры объектов, а не только их поверхности, при этом не требуется помещать образец в вакуум.

Метод MRI широко применяется в медицинских исследованиях, на нем основана и технология MRFM, разработки которой ведутся уже более десяти лет. Специалистам из IBM впервые удалось добиться рекордного разрешения для данного метода. Использование технологии восстановления трехмерных изображений позволило применить MRI для нанометрового диапазона и получить 3D-изображение вируса табачной мозаики, размеры которого не превышают 18 нм.

Для получения изображения биологический образец помещается на кремниевую подложку (кантилевер). В ходе взаимодействия магнитных моментов протонов в ядрах атомов водорода в образце с наноразмерным магнитом в форме иглы, расположенным вблизи образца, кантилевер начинает вибрировать. Лазерный интерферометр отслеживает движение кантилевера. Микромагнит сканирует образец, перемещаясь над его поверхностью. Полученные данные обрабатываются с помощью алгоритма, и в итоге создается трехмерное изображение исследуемого образца.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology - MIT) во главе с Джербрандом Седаром (Gerbrand Cedar) создала миниатюрный литиево-ионный элемент питания, который может быть полностью заряжен и разряжен за 10-20 секунд.

Достичь такой скорости удалось за счет использования в конструкции батареи нового материала - смешанного фосфата лития и железа. Он значительно ускоряет передвижение ионов лития внутри электродов (аналогичный элемент, но без фосфата лития, заряжался за 6 минут). Соответствующее открытие группой Седара было сделано еще 5 лет назад, однако до настоящего момента его доказательство существовало только в теории.

Материал может использоваться в батареях любых размеров: для мобильных телефонов, ноутбуков или электромобилей. По словам ученых, коммерческое производство таких элементов может начаться через 2-3 года.

В США группой ученых под руководством Саида Могхаддама (Saeed Moghaddam) из университета Иллинойса создан элемент питания на основе топливной ячейки размером 3 мм.

Новое устройство имеет всего 4 элемента. Тонкая мембрана отделяет водный резервуар сверху от камеры с металл-гидридом, расположенной под ним. Еще ниже расположены электроды. Небольшие отверстия в мембране позволяют молекулам воды проникать в соседнюю камеру в виде пара. Затем пары воды вступают в реакцию с металл-гидридом, в результате которой образуется водород. Он заполняет эту камеру и оказывает давление на мембрану снизу, и отверстия в мембране перекрываются. Водород постепенно расходуется в результате протекания реакций на электродах для получения электрического тока. Затем давление водорода падает, и вода снова начинает поступать в камеру для совершения дальнейших реакций.

Это устройство имеет размер 3х3 мм и толщину в 1 мм, а контроль над поступлением воды осуществляется автоматически. При этом ячейка сохраняет работоспособность при тряске, что дает возможность использовать ее в карманных устройствах. Первый образец генерировал напряжение 0,7 В и ток величиной 0,1 мА в течение 30 часов, но Могхаддам говорит, что последние версии выдают уже 1 мА при том же напряжении. Но этого не хватит для питания мобильных телефонов, которые используют батареи на несколько вольт, а вот в простых электронных системах и микророботах их уже вполне можно использовать.

Большинство топливных ячеек получают питание извне, в то время как новое устройство расходует топливо, помещенное внутри него. При этом большой запас топлива в ячейке требует много пространства, что приводит к падению удельной мощности. Однако в зависимости от размеров удельная мощность нового топливного элемента все же сравнительно высока - 100 ватт на литр.

Недостаток литий-ионных аккумуляторных батарей как источников питания широко известен - недостаточно высокая энергоемкость, не позволяющая им работать в автономном режиме длительное время.

Последним достижением исследователей стало заметное улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов за счет оптимизации конструкции анода батарей. В подобных устройствах зачастую в качестве анода используется графит, основным преимуществом которого является низкое изменение объема при "миграции" ионов. Однако существенным недостатком такого подхода является невысокое количество циклов заряда и невысокая энергоемкость.

В попытках преодолеть указанные трудности исследователи давно обратили свое внимание на кремний - материал, который позволяет улучшить характеристики аккумуляторных батарей. Но здесь перед инженерами встает новая задача, а именно, значительный объемный рост анода в случае миграции ионов к нему, а также быстрая потеря заряда, что не позволяло создавать устройства, удовлетворяющие современным требованиям, предъявляемым к аккумуляторным батареям.

Исследователи Стэнфордского университета показали, что от указанных недостатков можно избавиться путем формирования наноструктур, состоящих из кремниевых нитей, центр которых изготовлен из кристаллического кремния, а внешняя оболочка - из аморфного кремния. Именно аморфный кремний в данном случае отвечает за хранение заряда (ионов лития), тогда как кристаллический кремний является каркасом подобной структуры и эффективным проводником электронов.

Сегодня подобные структуры широко используются в микроэлектронных устройствах, например, в солнечных батареях. Теперь емкость батареек, по сравнению с углеродным анодом, может быть повышена сразу втрое; деградация аккумуляторов также более чем приемлема - после сотни циклов заряда емкость батареи снижается лишь на 10 %. Еще одним существенным плюсом должна стать скорость процесса заряда аккумуляторов - на полное восстановление батареи будет уходить всего лишь семь минут.

О практическом применении предложения ученых из Стэнфорда пока ничего не известно.

Группа исследователей из университета Висконсин-Мэдисон (University of Wisconsin-Madison Electrical and Computer Engineering, США) во главе с профессором Чжэн Цян (Джек) Ма (Zhenqiang (Jack) Ma) разработала гибкий светочувствительный материал для цифровой фотографии.

В однолинзовых объективах камер мобильных телефонов при проецировании изображения на сенсор возникает множество искажений. В дорогих объективах современных камер эти искажения компенсируются сложной системой линз и призм. Однако человеческий глаз использует всего одну линзу - хрусталик - и мы отлично видим без каких либо искажений. Дело в том, что сетчатка глаза - наш светочувствительный сенсор - имеет форму полусферы, и расстояние от фокуса хрусталика до любой точки на сетчатке всегда одинаково. Идея группы исследователей профессора Ма заключается в создании сенсора такой же формы. Используя гибкие наномембраны из германия, ученым удалось создать фотосенсор в форме половины цилиндра. В настоящее время они пытаются создать сенсор в виде полусферы. Использование таких сенсоров сделает необязательным использование сложных объективов для качественной фотографии.

С 2000 года ведется разработка метаматериалов, способных "изогнуть" электромагнитное излучение для того, чтобы скрыть какой-либо предмет на его пути. Излучение в определенном диапазоне волн как бы "огибает" данный объект, не отражаясь от него.

Впервые о работах по созданию устройств-невидимок было рассказано в 2000 году Дэвидом Смитом (David R. Smith), исследователем и профессором (Augustine Scholar and professor of electrical and computer engineering at Duke's Pratt School, США). С тех пор эта разработка носит также название "плащ Смита". В 2006 году подробности были раскрыты в университетской статье http://www.pratt.duke.edu/news/?id=433. Руководит работами David Schurig из Duke University (США) и английский физик-теоретик John Pendry из Императорского колледжа (Imperial College London), который первый показал теоретическую возможность создания подобного метаматериала. Оплачивает разработку DARPA - Defense Advanced Research Projects Agency из США.

Метаматериалы состоят из повторяющихся структур с экзотическими электромагнитными свойствами. Фактически это композиция из стекловолокна, пронизанного особыми полостями, и проводящих элементов (медь). Экспериментальный образец представлял собой цилиндрическую конструкцию небольшой высоты диаметром меньше 5" (13 см), состоящую из ряда концентрических колец. Совместное их действие позволяет обводить микроволны вокруг центральной области, опоясанной медным кольцом. Причем каждая из концентрических окружностей обладала отличными друг от друга свойствами (способностью взаимодействовать с электромагнитным излучением).

Теперь объявлено о "невидимках" нового поколения, которые воздействуют на электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 1 до 18 Гц, т. е. в видимом для человеческого глаза диапазоне частот. При их конструировании ученые использовали ПО для просчета свойств подобных метаматериалов. Результат - прямоугольное устройство 50х10х1 см. Структура состоит из 600 T-образных элементов, изготовленных из меди, именно такая форма элементов обеспечивает им уникальные свойства, позволяющие взаимодействовать с электромагнитным излучением нужным образом.

Ученые направляли на устройство пучок электромагнитного излучения, который после взаимодействия с "невидимым" объектом достигал приемника под тем углом, как если бы препятствия не существовало. Что интересно, аппарат предотвращает рассеяние ЭМ-пучка при взаимодействии с объектом.

Кстати, аналогичного типа устройство, но делающее неслышимыми внутри определенного пространства звуки, не искажая их для всего остального мира, разрабатывают в Гонконгском научно-технологическом университете.

Ученые из компании Polyera (штат Иллинойс, США) и немецкой компании BASF разработали новый тип полупроводниковых чернил. Большинство разработанных чернил относятся к P-типу, как, например, чернила, созданные компанией Xeron в 2004 г. Новые чернила относятся к полупроводникам N-типа, в которых основным типом носителей свободного заряда являются электроны (электронная проводимость). Это позволяет поднять скорость работы схемы, увеличить надежность и снизить потребление электрической энергии в отличие от полупроводников P-типа, в которых основными носителями заряда являются дырки.

В основе разработки лежит новая молекула, которая хорошо взаимодействует с органическим растворителем, что позволило создать жидкую субстанцию. Новые чернила предлагают под торговой маркой ActivInk. Их можно наносить на пластиковую пленку и даже на бумагу, используя при этом специальный струйный принтер. Это позволяет существенным образом экономить на капитальных затратах. Кроме того, делать гибкие чипы можно едва ли не в домашних условиях, выпуская небольшие партии продукции. По словам разработчиков, технология может использоваться для создания, прежде всего, RFID-чипов, применяемых в области логистики.

Рубрики || Работа || Услуги || Поиск || Архив || Дни рождения
О "КИ" || График выхода || Карта сайта || Подписка

Рассылка анонсов газеты по электронной почте

Главная страница

Сайт газеты "Компьютер-Информ" является зарегистрированным электронным СМИ.
Свидетельство Эл 77-4461 от 2 апреля 2001 г.
Перепечатка материалов без письменного согласия редакции запрещена.
При использовании материалов газеты в Интернет гиперссылка обязательна.

Телефон редакции (812) 718-6666, 718-6555.
Адрес: 196084, СПб, ул.Заставская, д.23, БЦ "Авиатор", 3-й этаж, офис 307
e-mail: editor@ci.ru
Для пресс-релизов и новостей news@ci.ru