RUSNANOPRIZE 2014: технологии будущего

Международная премия в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2014 призвана отметить ученых, чьи разработки имеют большую научную значимость и были успешно коммерциализированы.

Коммерциализация научных разработок занимает немало времени, это фильтр, который немногим удается пройти. Поэтому обычно на эту премию подаются заявки про относительно известные и неоднократно апробированные научные подходы. Однако в этом году ситуация необычная – по крайней мере три заявки посвящены очень специальным разделам технологий¹, при этом в каждой из заявок приведена доказанная история коммерческого успеха. Два этих обстоятельства – что в малоизвестной области удалось добиться значительного научного успеха и что полученные результаты были внедрены в промышленное использование – сигнализируют о том, что по данным специальным направлениям, возможно, произойдет прорыв. Не исключено, что именно эти технологии предопределят следующий акт научно-технической революции человечества в самое ближайшее время. Итак, их три: мемристивные элементы для компьютерных вычислений и накопителей информации, метаматериалы и оптические методы спектроскопии за пределом дифракции.

Нейрокомпьютеры против суперкомпьютеров

Компания HP несколько лет назад «взяла под крыло» разработки, которые с большой вероятностью в самое ближайшее время поставят мир на порог новой компьютерной революции. Речь идет о мемристорах, относительно новых электронных элементах, которые изначально разрабатывались как основа энергонезависимой компьютерной памяти, альтернатива полупроводниковым решениям RAM (на них построена вся современная флэш-память). Мемристор состоит из очень тонкой – около 5 нм – пленки оксида металла (сейчас в основном титана), степень окисленности металла в которой может увеличиваться или снижаться, если к ней приложить достаточно высокое внешнее напряжение. При изменении степени окисленности металла меняется и электрическое сопротивление пленки, причем при малых токах, а тем более в переменном токе, это сопротивление остается относительно постоянным. Получается, такая ячейка запоминает, сколько раз к ней приложили высокое напряжение, точнее, как долго оно было приложено.

Коммерческий потенциал у данной разработки появился в тот момент, когда удалось добиться быстродействия блоков RAM сопоставимых с показателями у флэш-памяти. Сейчас уже показано быстродействие почти на порядок выше. По всем остальным параметрам мемристорные накопители выигрывали сразу: мемристор существенно меньше полупроводникового транзистора, а значит, возможна гораздо более плотная упаковка и большая емкость памяти в единице объема, и, главное, мемристор гораздо проще, то есть в изготовлении такие устройства должны быть намного дешевле. Сейчас память на мемристорах производится в промышленных объемах и доступна на коммерческом рынке.

Но революционность данной разработки не в количественном преимуществе. По сути своего действия мемристор очень напоминает синапс – соединение между отдельными нервными клетками у животных. Именно синапсы через изменение их проводимости, в зависимости от предыстории проходивших через данную клетку сигналов, отвечают за обучение у высших животных. У более простых животных инстинкты также запрограммированы через врожденно настроенную неоднородность в проводимости синапсов.

Получается, что массив мемристоров функционально похож на массив нервных клеток и может имитировать процессы принятия решений (выбора альтернативы или распознавания изображения), которые давно и успешно моделируются в искусственных нейроморфных компьютерных сетях. С той только разницей, что модель нейронной сети в компьютере имеет физический размер этого компьютера, а на мемристорах такую модель можно уместить в объеме нескольких кубических микрометров. И работать такой нейрокомпьютер будет без специальных интерфейсов – сложные вычисления нейросети могут происходить прямо на чипе, практически мгновенно и с фантастически низким энергопотреблением.

Логика нейроморфных вычислений принципиально отличается от бинарной логики всех современных компьютеров. Одно из следствий этого в том, что снимается ограничение на сложность вычислений. В рамках бинарной логики необходимое количество элементов (транзисторов) с ростом сложности задачи должно увеличиваться нелинейно быстрее. В этом проблема современных суперкомпьютеров – их объединяют в сети, создают немыслимые системы энергопитания и теплоотвода, а прирост производительности с каждым годом снижается. Нейрокомпьютеры от этого ограничения свободны. Наконец, нейроморфная логика позволяет совмещать в одном устройстве множество функций одновременно. В том числе – совмещать функцию памяти с функцией вычислений ровно так, как это реализовано в человеческом мозге (как это можно сделать на мемристорах - см. статью).

Поскольку разработками в этом направлении занимается весьма крупная в плане финансов и компетенций структура, можно ожидать, что объявленные планы будут реализованы.В НР сформулировали ключевые черты нового компьютера в рамках проекта themachine: мемристорная логика памяти и вычислений плюс интегрированные оптоэлектронные соединения (снимающие ограничения внутренних шин передачи данных в современных компьютерах). Другими словами, компьютер будет с большей памятью, с большим быстродействием, с производительностью современных суперкомпьютеров и практически с неограниченным потенциалом для количественного наращивания показателей в перспективе.

К слову, линейные размеры нейрона в человеческом мозге измеряются десятками микрон, а линейные размеры мемристора – десятками нанометров. Это означает, что при схожей логике, совокупность мемристоров, которая будет аналогична по сложности мозгу взрослого человека, можно будет уместить в объеме горошины, уже с учетом управляющих схем и с поправкой на несовершенство технологий.

Шапка-невидимка или Интернет повсюду

Есть два фактора, которые можно считать «неубиваемыми драйверами» любой перспективной технологии – это массовый спрос и интерес со стороны военных. Если один из этих факторов присутствует или может возникнуть для данной технологии, значит, технология с очень высокой вероятностью будет внедрена в жизнь. Гарантом перспективности в предыдущей истории выступает массовый спрос – компьютеры уже присутствуют в нашей жизни, а компания HewlettPackard умеет работать с мировым рынком потребительских товаров. В случае метаматериалов очевиден потенциал двойного использования и это обстоятельство заставляет серьезно рассматривать возможность быстрого внедрения разработок в промышленное производство. Обычно сразу возникает и волна продуктов гражданского назначения, которую все мы можем заметить в нашей повседневной жизни.

Метаматериалы – это обобщенное название искусственных объектов с аномальными характеристиками взаимодействия с электромагнитным излучением. В самом простом случае такой материал имеет отрицательный коэффициент преломления, то есть фокусирующая линза будет излучение рассеивать, а рассеивающая – напротив, фокусировать. Еще одно следствие аномального коэффициента преломления состоит в возможности уменьшать размер антенны для улавливания либо испускания радиоволн. Если обычная антенна должна иметь размер хотя бы в половину длины волны, то антенна из метаматериала может эффективно работать при размерах до одной пятидесятой длины волны. Собственно, этот эффект и лежит в основе коммерческой технологии, представленной на Премию RUSNANOPRIZE 2014.

Совокупность маленьких антенн для поиска сигнала от телекоммуникационных спутников делает возможным «ловить Интернет» практически в любом месте планеты. Сейчас уже сигнал потенциально есть во всех относительно населенных районах суши. Но в некоторых местах (за пределами крупных городов) его можно поймать только с помощью РЛС – больших антенн, которые вращаются мощными моторами, потребляют колоссальное количество энергии. Весь комплекс либо должен быть стационарным, либо его можно перемещать с помощью гусеничных тягачей… Такой Интернет стоит слишком дорого, чтобы использовать его для чтения почты и свежих новостей. Если же антенный комплекс умещается в размерах портфеля, а за счет электронной настройки еще и следит сам за «ускользающим» сигналом, то проблем с мобильным Интернетом больше нет – везде, где может проехать автомобиль, его владелец имеет возможность поймать сигнал и выйти на связь.

Несмотря на всю привлекательность для обычных граждан, путешествующие любители котиков и смайликов не обеспечат достаточный рынок, чтобы технологию можно было доработать до массового уровня надежных и дешевых устройств. А вот те, кто сегодня используют гусеничные тягачи и не жалеют солярки для питания передвижных генераторов мощных РЛС, весьма заинтересованы, чтобы тратить солярки поменьше, а связь иметь надежную и устойчивую в любом месте. Причем антенные комплексы РЛС позволяют не только устанавливать связь, но и отслеживать летящие ракеты, беспилотники, даже артиллерийские снаряды – и уничтожать их в полете. Так называемые фазированные антенные решетки, которые обеспечивают работу самых современных военных радаров, могут быть заменены гораздо более простыми и дешевыми электронно-настраиваемыми комплексами наноразмерных антенных структур. А это значит, что технология метаматериалов будет развиваться и стремительно совершенствоваться.

В этом месте вспомним, что речь идет о материалах или устройствах с аномальными характеристиками. В начале 2000-х метаматериалы привлекли внимание журналистов возможностью создания плаща невидимости (или, по-русски, шапки-невидимки). Тогда интерес к теме быстро остыл, потому что оказалось, что возможность скорее теоретическая – были сделаны пластинки, которые как-то на приборах показывали отрицательный коэффициент преломления, но для широкой публики это было непонятно. На самом деле, вопрос исключительно в технологиях изготовления. Можно подобрать материалы, можно оптимизировать процессы создания структур (предварительно рассчитав их параметры), только в это кто-то должен вложиться. Работы много, высококвалифицированных людей разных профессий надо привлечь много, поэтому разрыв от лаборатории до полки в магазине казался непреодолимо большим. Сейчас ситуация другая. Военные потребности неизбежно привлекут нужных специалистов, и те заполнят большую часть «белых пятен». После этого появление детских игрушек с эффектами невидимости, скорее всего, можно будет ждать через пару-тройку лет. А потом появятся и «взрослые шапки».

Микроскоп для молекул

Революции в науке незаметны для простых граждан. Примером может служить скачок в накопленных знаниях, который произошел в биологических науках за последние 20 лет благодаря использованию технологии флуоресцентных меток. Большинство из нас не в курсе, что на шкале исторического времени наука шагнула лет на 150 вперед. Разве что придирчивые тетушки в супермаркетах стали выискивать таинственные буквы ГМО на этикетках с сосисками… А сегодня благодаря развитию этого подхода ученые могут не только видеть, что происходит в живой клетке, но даже визуализировать процесс обработки информации в мозгу относительно крупного организма, например, рыбы.

Такие рывки в накоплении и понимании научных знаний всегда происходят при введении в широкую практику новых научных инструментов. Один из таких принципиально новых инструментов разработан и представлен на премию RUSNANOPRIZE 2014 российской компанией. Речь идет о технологии изучения свойств наноразмерных объектов, вплоть до уровня единичных молекул, с помощью оптических методов спектроскопии. В школьном курсе физики учат, что свет – это волна, а значит с ним нельзя работать на шкале размеров существенно меньших, чем длина волны. На самом деле можно, если использовать наноразмерные металлические неровности, которые обладают свойствами антенн и могут многократно усиливать электромагнитное поле в своих окрестностях. В предложенной технологии в качестве такой антенны используют специальную иглу сканирующего зондового микроскопа. Когда острие иглы находится в предельно сфокусированном пятне света (а такое пятно имеет диаметр около 200 нм), напряженность поля вблизи острия в сотни и даже тысячи раз выше, чем во всем остальном освещенном участке. В таких условиях многие эффекты взаимодействия вещества со светом также усиливаются.Например, сигнал комбинационного рассеяния из-под иглы на порядки превышает сигнал от всего остального пятна света. Это и позволяет проводить спектроскопию, то есть измерять количественные параметры взаимодействия вещества со светом в очень маленькой локальной области, сегодня это область с диаметром около 10 нм. Потенциально даже единичную молекулу можно «протестировать» с помощью такого подхода.

Где же здесь, все-таки, революция? Все дело в универсальности подхода. В свое время электронный микроскоп, который обеспечивал предельное разрешение порядка 10-20 нм, сделал революцию в материаловедении. Потому что в электронный микроскоп можно было наблюдать все что угодно. Следующим рывком стало изобретение сканирующего зондового микроскопа – он тоже был и остается одним из самых универсальных научных инструментов. Сегодня и электронный, и зондовый микроскопы позволяют увидеть атомы вещества. А оптические методы спектроскопии позволяют изучить состояние этих атомов – кто их соседи, в каких химических связях они участвуют, как распределены механические напряжения. Если сравнивать образно, то переход от электронной микроскопии отдельных молекул к оптической спектроскопии молекул равнозначен переходу от анатомирования тел умерших людей и животных к изучению физиологии живых организмов.

И еще одно принципиально важное обстоятельство. Технология КР-спектроскопии за пределом дифракции доступна в виде коммерческих приборов. Инструмент продается, можно его купить и исследовать то, чего до сих пор никто исследовать не мог. Мало кто из ученых в состоянии удержаться от такого соблазна.

Автор: Денис Андреюк, исполнительный вице-президент Нанотехнологического общества России

_______________________

¹ Дирекция Премии не раскрывает информацию по существу поданных на конкурс заявок, как и любую другую конфиденциальную информацию, предоставленную заявителями. Для публичного обсуждения предлагаются общие определения, ограничивающие тематику заявок. Рассуждения по существу технологий в данной статье отражают личное мнение автора, которое опирается на общий кругозор и данные из общедоступных источников. Логика и факты, приводимые в статье, не представляют мнение Дирекции Премии или номинантов-участников конкурса.