1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

IT-байки: Электроника будущего — бумажная, органическая, фотонная?

Содержание

Электроника будущего: какими станут гаджеты через 5 лет

На смену планшетам с сенсорным экраном и устройствам для распознавания жестов придут гаджеты с функцией взаимодействия взглядом, которые обеспечивают автоматическое пролистывание текста, контроллеры, двигающие крошечные бугорки по пальцам геймеров, а также мобильные или стационарные устройства, учитывающие эмоциональное состояние хозяина.

«У нас появятся компьютеры и устройства, распознающие эмоции, жесты и выражения лица, в точности как это делаем мы, — уверен Том Вильсон, генеральный директор компании «Еmotion3D». – Воспринимая настроение, они обеспечат потребителям больший комфорт и дополнительные возможности».

Вильсон и его коллеги обсуждали новые технологии, которые, очевидно, появятся на полках магазинов через пять лет; технологии, которые позволят потребителям наладить тесный контакт с персональной электроникой.

Переполнены датчиками

Наушники и динамики будущего смогут адаптироваться к слуху человека путем оценки реакции среднего уха и улиткового нерва. Ряд крошечных направленных микрофонов и усовершенствованная акустическая система помогут уменьшить внешний дорожный шум в автомобилях или даже направят звук в направлении слушателя в комнате. Таким образом, звуковые системы будущего будут приспосабливаться к человеку.

В мобильных устройствах, таких как смартфоны, качество звука улучшится в 16 раз в сравнении с металлическим звучанием сегодняшних гаджетов. Что касается видео, планшеты и смартфоны получат экраны со сверхвысоким разрешением и гораздо более богатыми визуальными свойствами.

На больших экранах частоту кадров удастся повысить до 1000 в секунду, что значительно превышает показатель 48 кадров в секунду в недавно дебютировавшем «Хоббите». Кроме того, видеоэкраны могут стать такими недорогими, что в магазинах будут использоваться видеоярлыки.

В трехмерных фильмах улучшится объемное звучание, что обеспечит неповторимые впечатления в кинотеатрах или дома.

Требуется больше места

Видео с высоким разрешением в новых телевизорах 4K (Ultra HD) также означает, что фильмы или телевизионные программы потребуют более вместительных систем цифровой памяти. Скачивание фильмов с разрешением 4K, которые и в данное время требуют более 100 гигабайт места, займет много времени для домашних пользователей Интернет, даже имеющих высокоскоростной доступ.

Такие громадные HD видеофайлы могут привести к некоторому возрождению физических носителей, таких как диски Blu-ray, в противовес к скачиванию онлайн видео. Специалисты отмечают, что можно будет получить 4К видео на 50-гигабайтовом диске Blu-ray.

Но устройства накопления цифровой информации также увеличатся для хранения терабайтов данных. И даже накопители мобильных устройств смогут запомнить больше информации, уже в 2013 году широкое распространение получат 128-гигабайтные планшеты.

Новые мобильные возможности

Любители поиграть на приставках или смартфонах тоже могут ожидать новые формы погружения в игровой мир. Так, войдут в обиход контроллеры натяжения кожи, напоминающие крошечные манипуляторы на верхней части основного джойстика, которые обеспечат возможность чуткого управления или выполнения более сложных действий.

Но еще большее удовольствие геймеры смогут получить благодаря устройствам, позволяющим максимально приблизить игры на планшетах к развлечениям на Xbox или игровым приставкам PS3. В число таких девайсов входят беспроводные геймпады и аксессуары, дающие возможность ручного или кнопочного управления iPad, которое напоминает средства контроля старых игровых автоматов. Специалисты считают, что планшеты постепенно становятся конкурентами Xbox и других игровых консолей.

Работая или играя на мобильных устройствах, пользователи планшетов или смартфонов смогут получить больше преимуществ от своего девайса. Очки Google и интеллектуальные автомобильные приложения помогут людям избежать возможных опасностей падений или столкновений во время набора текстовой информации.

Наука

Технологии

Злоключения электроники

Какие открытия определят революцию в электронике будущего

Кубиты, поляритоны, биомолекулы, скирмионы — «Газета.Ru» рассказывает, какие прорывные направления в науке определят облик и характеристики компьютеров и персональных гаджетов будущего.

Электроника давно и прочно пришла в нашу жизнь. Мы не можем представить себе ни дня без любимого смартфона, планшета или компьютера. Вместе с развитием электроники становятся понятны и ее ограничения — мы понимаем, что, несмотря на весь ее потенциал, у нее есть фундаментальные ограничения. Впрочем, ученые не были бы учеными, если бы не хотели сделать наш мир лучше, и самые светлые умы планеты уже много лет бьются над тем, чтобы электроника стала работать еще быстрее и эффективнее. Для этого они ищут в том числе альтернативные способы производить вычисления, то есть использовать для передачи информации не электрический ток, а что-то другое. Стимулом к развитию в данном случае выступает как необходимость делать более сложные вычисления для научных целей, так и чисто потребительский интерес к более быстрым, энергоэффективным и «вместительным» устройствам. Поэтому недостатка в исследованиях нет, а о самых интересных и необычных мы и расскажем в этом материале.

Подробнее:

Об искусственном интеллекте и достижениях в компьютерной лингвистике

Как ускорить работу компьютера?

Возможный, но пока далекий от повседневной жизни пример устройства с невероятно высокой скоростью работы — это суперкомпьютеры. Однако существующие суперкомпьютеры (например, отечественный «Ломоносов») нельзя назвать портативными: часто они занимают несколько комнат.

Эти вычислительные машины используются, например, для расшифровки ДНК или для предсказания погоды, то есть для решения задач, в которых требуется обрабатывать большое количество данных.

Мечта же обычных пользователей — это относительно компактное устройство, работающее со скоростью суперкомпьютера.

Первый, самый простой способ увеличить скорость работы любого прибора — увеличить количество электронных компонентов, например транзисторов, последовательность которых выполняет элементарные операции. Однако это путь экстенсивный: скорость будет расти, но вместе с этим энергопотребление новых телефонов и компьютеров также увеличится. Такое развитие мы и наблюдаем сегодня — достаточно сравнить, например, время жизни без зарядки своего старого телефона и сегодняшнего смартфона. Такой способ развития был описан американским ученым, одним из основателей компании Intel Гордоном Муром в сформулированном им законе. Исследователь заметил, что каждый год появляются новые модели микросхем и количество транзисторов на них увеличивается вдвое. Так, в середине 1960-х годов он предсказал экспоненциальный рост скорости электронных устройств за короткий промежуток времени. Позже Мур подкорректировал собственный закон, по его мнению, двойное увеличение транзисторов будет происходить каждые два года.

Помимо количественного способа существует и качественный. Для скорости работы устройства важна скорость передачи данных внутри него. Информация передается в виде сигнала с различными значениями напряжения. Некоторые участки этого сигнала соответствуют единице привычного нам двоичного кода. От максимального количества нулей и единиц, которыми процессор может оперировать в течение секунды, и зависит производительность.

Подробнее:

Ученые впервые измерили силу Ван-дер-Ваальса между атомами

Наконец, производительность зависит от времени доступа к динамической памяти. На жестких дисках мы храним информацию в статической (долговременной) памяти, операции с которой являются довольно медленными относительно тактовой частоты процессора. Однако нам не нужны одновременно сразу все данные, которые есть в памяти наших устройств. То, что нам нужно здесь и сейчас, должно храниться в динамической памяти и доставаться именно оттуда.

Работа с этой динамической памятью, которая гораздо дороже и требует определенных энергозатрат, тоже ограничивает скорость гаджета.

Новый взгляд на электрон

На сегодняшний день информация в процессорах, будь то смартфон или суперкомпьютер, переносится с помощью электронов. Электроны, в свою очередь, обладают собственным магнитным моментом, или спином. И хотя открыли спин еще в начале ХХ века, эффективное использование спиновых эффектов в процессорах стало возможно только после 1988 года, когда был открыт гигантский магниторезистивный эффект. Он и дал толчок развитию технологий, использующих спин для переноса информации, именуемых спинтроникой. Суть этого квантового эффекта заключается в следующем: если создать структуру с тонкими чередующимися ферромагнитными и непроводящими слоями, то сопротивление такой структуры сильно зависит от направлений намагниченности ферромагнитных слоев. Эту намагниченность можно менять с помощью внешних факторов, например внешнего магнитного поля. Состояния с различным сопротивлением как раз и служат логическими нулем и единицей. На этом эффекте основана работа головки жесткого диска в современных компьютерах.

Но спинтроника для переноса информации или создания ячейки памяти использует не только ток. В качестве носителя могут рассматриваться также различные частицы или квазичастицы — например, скирмионы. Это такие области намагниченности, в которых спины отдельных атомов как бы закручены в определенном направлении. Такие структуры обладают устойчивостью и, как полагают, дадут в дальнейшем возможность создать память, плотность хранения информации в которой будет намного выше, чем в современной. Изучением таких структур, в частности, активно занимается в России группа ученых из МФТИ.

Подробнее:

Ученые запишут всю историю человечества на «вечный диск» в формате 5D

Со скоростью света

Отдельно стоит рассказать о передаче информации посредством световых импульсов. Их изучает отдельная область физики — фотоника. Ведущие компании полупроводниковой индустрии, такие как IBM, Oracle, Intel, HP, считают ее перспективной и инвестируют в фотонику миллиарды долларов, причем некоторые успехи уже достигнуты. В 2015 году IBM представила гибридный чип, в котором присутствовали фотонные элементы. А все потому, что замена части электронных элементов фотонными может ускорить компьютеры в десятки тысяч раз, не изменяя структуры самого процессора. Дело в том, что быстродействие многоядерных компьютеров определяется не столько тактовой частотой одного ядра, сколько скоростью обмена данными между ядрами. Между тем электрические медные межсоединения в микропроцессорах фундаментально ограничены по пропускной способности.

В ближайшем будущем именно они станут «бутылочным горлышком», не позволяющим линейно наращивать производительность.

Поэтому перед физикой и стоит задача создания принципиально новых межсоединений для ядер — например, на основе света. Оптическая линия передачи в десятки тысяч раз быстрее медной, и ее пропускной способности хватит надолго. Но главной проблемой таких соединений станет размер. Длина волны света в инфракрасном диапазоне составляет примерно микрон, а это значит, что и размеры фотонных элементов будут как минимум составлять единицы-десятки микронов. В реалиях гонки за энергоэффективность и борьбы с паразитным теплом — это большая проблема.

Обойти дифракционный предел помогает плазмоника. Вдоль границы раздела металла и диэлектрика может распространяться электромагнитная волна, возбуждаемая фотонами, которая и называется поверхностным плазмон-поляритоном. И если размер фотона и есть тот самый микрон, то уже сегодня ученые создают плазмонные волноводы шириной в 100 нм. Но для успешной интеграции плазмоники в современную электронику необходимо, кроме всего прочего, сделать ее коммерчески привлекательной.

Подробнее:

Компьютерная программа победила трехкратного чемпиона Европы по игре в го

До недавнего времени считалось, что плазмонные компоненты можно создавать только из золота и серебра, так как другие металлы намного менее энергоэффективны. Но проблема этих благородных металлов в несовместимости с современными методами литографии, т.е. наносить на плату объекты, содержащие золотые или серебряные компоненты, очень дорого. Однако ученые из МФТИ предсказывают «медную революцию», предсказав особое состояние меди, в котором она имеет сравнимую с золотом проводимость. Медь уже давно используется в производственном цикле микросхем, и нанесение медных плазмонных элементов на плату не требует каких-то дорогих модернизаций существующего процесса.

Читать еще:  Без топового железа не взлетим: системные требования Microsoft Flight Simulator ожидаемо высоки

Квантовый компьютер

Отдельным направлением исследований современных ученых являются квантовые компьютеры. От обычных компьютеров они отличаются устройством памяти. В то время как ячейка обычной памяти хранит либо ноль, либо единицу, кубит (ячейка памяти квантового компьютера) при попытке считать его состояние оказывается с разными вероятностями либо нулем, либо единицей, находясь «между» этими состояниями до момента обращения, но не принимая ни одного из них. Таким образом, можно параллельно работать сразу со всеми возможными состояниями системы из группы кубитов, что и дает выигрыш в скорости вычислений.

Из-за этого вычислительная мощность квантового компьютера растет экспоненциально.

На сегодняшний день уже несколько групп ученых создали прототипы элементарных ячеек памяти, кубитов. В 2013 году немецкая группа ученых сообщила о кубите, хранящем свое состояние при комнатной температуре около 39 минут. В 2015 году группа российских ученых из Российского квантового центра, МФТИ, МИСиС и ИФТТ РАН создала свой кубит, а в 2016 году в МФТИ была создана первая российская двухкубитная система. Иначе говоря, прогресс в этой сфере двигается семимильными шагами, в том числе и в нашей стране.

Подробнее:

Голландская команда выиграла всемирное соревнование машин на солнечных батареях

Но и в применении квантовых компьютеров есть нюансы. В силу своих особенностей квантовый компьютер может решать только определенный класс задач. Он не заменит домашний ноутбук или смартфон, но некоторые сферы он поменяет полностью. В первую очередь «пострадают» криптография и передача данных. Хоть абсолютно устойчивые к взлому криптографические схемы существуют уже давно, их использовать дорого и неудобно. Обычно в коммерческих целях используются так называемые вычислительно-стойкие схемы. Для их взлома необходимо решить задачу большой вычислительной сложности, которая на практике нерешаема за разумный промежуток времени. Но на вычислительные мощности квантового компьютера такие схемы не рассчитаны. С передачей данных все обстоит немного по-другому. Квантовый сигнал нельзя перехватить так, чтобы адресат не узнал о том, что сигнал перехвачен. Дело в том, что в случае «без прослушки» адресату информация приходит в виде носителя с неопределенным состоянием, по аналогии с кубитом. При прослушке, чтобы расшифровать сигнал, нужно измерить состояния носителей, после этого носители будут находиться только в каком-то одном из возможных состояний. Поясним на примере: допустим, существует система, которая при попытке узнать ее состояние окажется с вероятностью 50% в состоянии А и с вероятностью 50% в состоянии Б. Пускай после измерения состояния она оказалась в состоянии А. При дальнейших измерениях мы всегда будем получать результат, что она находится в состоянии А. При этом важную роль играет так называемый «принцип невозможности клонирования», который запрещает создание точной копии квантового состояния без нарушения состояния оригинала.

Когда будут получены квантовые компьютеры достаточных вычислительных мощностей, непонятно, но это направление — одно из самых бурно развивающихся в современной физике.

Биомолекулы

Еще со времен опытов Гальвани по воздействию электричества на лягушачьи лапки взаимодействие электричества и биологических тканей является широко обсуждаемой в научном мире темой. Эти простые опыты послужили отправной точкой для настоящего прорыва понимания механизма проведения сигнала по нервной ткани в 60-х годах прошлого века. Теория, построенная тогда, до сих пор является самой точной во всей биофизике. К этому моменту электроника была очень развитой наукой, поэтому только зародившаяся наука биоэлектроника изучала возможности присоединения уже известных электронных устройств к биологическим тканям. Так появились кардиостимуляторы, измерители уровня глюкозы и нейроинтерфейсы для управления протезами, которые спасают и облегчают жизнь миллионам больных. Но в последнее время очень быстрое развитие молекулярной биологии показало, что электронике есть чему поучиться у живых организмов. Так началась эра биомолекулярной электроники.

Главная ее черта — переход с металлических проводов и кремниевых полупроводников на органические вещества, которые заметно лучше взаимодействуют с живыми организмами.

Например, уже сейчас чувствительность биосенсоров возросла на порядок. К тому же такие биосенсоры могут «питаться» растворенной в человеческой крови глюкозой, в отличие от кардиостимуляторов, которым требуется периодическая замена батарейки. Но переход на органические вещества помимо улучшения уже существующих технологий открывает и принципиально новые возможности.

Подробнее:

Эксперты рассказали, как Volkswagen перехитрил экологов в США

Например, группа ученых из Гарварда создала управляемую током органическую «липучку», при подаче тока белки-нити на поверхности которой распрямляются, а при отключении — сворачиваются. Если поднести друг к другу распрямленные поверхности липучки и отключить ток, они свяжутся, как липучка на детских ботинках, только на несколько порядков сильнее. А при желании их разъединить нужно всего лишь снова подать ток. А теоретики из Массачусетского института технологии показали, что, используя систему из клеточных мембран, похожую на несколько слипшихся мыльных пузырьков, на поверхности которых закреплены специальные белки, которые в зависимости от напряжения на мембране будут переносить ионы с одной стороны на другую, можно проводить вычисления. Поскольку ионов в одном миллилитре воды больше, чем транзисторов в самых мощных компьютерах, на таком «биологическом компьютере» можно будет решать невозможные на данный момент задачи. Например, предсказывать форму белка по гену, который его кодирует. Если бы это было возможно сейчас, то, скорее всего, рак был бы уже в прошлом. Примером уже существующего биокомпьютера является разработка ученых из МФТИ. В ней логические сигналы передаются с помощью взаимодействия наночастиц.

Существует мнение, что биокомпьютеры будут доступны для практических целей заметно раньше, чем более популярные квантовые компьютеры, решая при этом почти тот же круг задач.

Иное будущее

Никто не может знать наверняка, каким будет будущее компьютеров. Одно понятно точно: современная электроника принципиально устарела, и рано или поздно придется делать переход на что-то новое. Крупные компании вроде Intel и IBM инвестируют в самые разные направления, многообещающие результаты получают ученые изо всех научных сфер, связанных с альтернативной электроникой, и по мере приближения человечества к созданию рабочих прототипов этих новых компьютеров начнется увлекательная битва технологий, подобных которой человечество еще не видело.

Оптические транзисторы — будущее электроники

Практически все технологии, хотя и имеют свойство развиваться, в конце концов устаревают. Не обошла данная закономерность и кремниевую электронику. Легко заметить, что в последнее время ее прогресс существенно замедлился и вообще изменил направление своего развития.

Количество транзисторов в микросхемах уже не удваивается каждые два года, как это было раньше. И сегодня производительность компьютеров наращивается отнюдь не за счет повышения их рабочей частоты, а благодаря увеличению количества ядер в процессоре, то есть путем расширения возможностей для параллельно выполняемых операций.

Ни для кого не секрет, что любой современный компьютер построен из миллиардов маленьких транзисторов, представляющих собой полупроводниковые устройства, проводящие электрический ток при подаче управляющего сигнала.

Но чем меньше размером транзистор — тем выраженнее паразитные эффекты и утечки, мешающие его нормальной работе, и представляющие собой препятствие для создания еще более компактных и более быстрых в работе устройств.

Данные факторы определяют принципиальный предел на пути миниатюризации размера транзистора, поэтому кремниевый транзистор в принципе не может иметь толщину более пяти нанометров.

Физическая причина кроется в том, что движущиеся через полупроводник электроны растрачивают свою энергию просто потому, что данные заряженные частицы обладают массой. И чем выше делается частота прибора — тем большими становятся потери энергии в нем.

С уменьшением размера элемента, потери энергии в форме тепла хотя и удается уменьшить, но предотвратить влияние атомарной структуры не удается. На практике атомарная структура сама начинает становиться помехой, поскольку достигнутый на сегодня размер элемента в 10 нанометров по порядку величин сопоставим всего с сотней атомов кремния.

На смену электронам — фотоны


Но что если попробовать использовать не ток, а свет? Ведь фотоны, в отличие от электронов, не обладают ни зарядом, ни массой покоя, при этом являются самыми быстрыми частицами. К тому же их потоки при разных длинах волн не будут мешать друг другу при синхронной работе.

Таким образом, с переходом на оптические технологии в сфере управления информацией можно было бы получить множество преимуществ перед полупроводниками (с движущимися через них тяжелыми заряженными частицами).

Информация, посылаемая посредством светового луча могла бы обрабатываться прямо в процессе ее передачи, а расходы энергии не были бы столь существенными, как при передаче посредством движущегося электрического заряда. А проводить параллельные вычисления позволили бы применяемые волны разной длины, причем для оптической системы были бы принципиально нестрашны никакие электромагнитные наводки.

Явные преимущества оптической концепции перед электрической давно притягивают внимание ученых. Но сегодня вычислительная оптика остается по большому счету гибридной, то есть сочетающей в себе электронный и оптический подходы.

Кстати, первый прототип оптоэлектронной ЭВМ был создан еще в 1990 году компанией Bell Labs, а 2003 году компания Lenslet анонсировала первый коммерческий оптический процессор EnLight256, способный производить до 8000000000000 операций над 8-битными целыми в секунду (8 тераоп). Но несмотря на уже сделанные шаги в этом направлении, в области оптической электроники до сих пор оставались вопросы.

Один из таких вопросов заключался в следующем. Логические схемы подразумевают ответ «1» или «0» в зависимости от того, произошли ли два события — Б и А. Но фотоны не замечают друг друга, а ведь ответ схемы должен зависеть от двух световых пучков.

Транзисторная логика, оперирующая токами, легко проделывает подобное. И похожих вопросов масса. Поэтому коммерчески привлекательных оптических устройств на базе оптической логики до сих пор не было, хотя имелись некоторые наработки. Так, в 2015 году ученые из лаборатории нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО продемонстрировали в эксперименте возможность изготовления сверхбыстрого оптического транзистора, состоящего всего из одной кремниевой наночастицы.

По сей день инженеры и ученые многих учреждений трудятся над проблемой замены кремния на альтернативы: пробуют графен, дисульфид молибдена, задумываются об использовании спинов частиц и конечно — о свете, как о принципиально новом способе передачи и хранения информации.

Световой аналог транзистора — принципиальнейшая концепция, заключающаяся в том, что необходим прибор, способный избирательно пропускать или не пропускать фотоны. Кроме того желателен расщепитель, могущий разбивать луч на части и убирать из него определенные световые компоненты.

Прототипы уже есть, но они имеют проблему — размеры их гигантские, они больше похожи на транзисторы из середины прошлого столетия, когда компьютерный век только начинался. Уменьшение размеров таких транзисторов и расщепителей — непростая задача.

Фундаментальное препятствие преодолено

А между тем ученым из лаборатории гибридной фотоники «Сколтеха», совместно с коллегами из компании IBM, в начале 2019 года все же удалось построить первый оптический транзистор, способный работать на частоте в 2 ТГц и при этом совсем не нуждающийся в охлаждении до абсолютного нуля.

Результат получен при помощи сложнейшей оптической системы, которая создавалась долгим кропотливым трудом коллектива. И теперь можно сказать, что фотонные процессоры, выполняющие операции со скоростью света — в принципе реальны, так же реальны как оптоволоконная связь.

Первый шаг сделан! Миниатюрный оптический транзистор, не требующий охлаждения и способный работать тысячекратно быстрее своего электронного полупроводникового предка — создан.

Как было отмечено выше, одной из фундаментальных проблем на пути создания элементов для «световых» компьютеров было то, что фотоны друг с другом не взаимодействуют, да и движением частиц света крайне сложно управлять. Однако ученые выяснили, что с проблемой можно справиться прибегнув к так называемым поляритонам.

Читать еще:  Dr.WEB для Windows - Антивирус + Антиспам

Поляритон — одна из недавно созданных виртуальных частиц, подобных фотону, и способных проявлять свойства волн и частиц. Поляритон включает в себя три компонента: оптический резонатор, состоящий из пары зеркал-отражателей, между которыми заточена световая волна, а также квантовый колодец. Квантовый колодец представлен атомом с вращающимся вокруг него электроном, способным испускать или поглощать квант света.

Квазичастица поляритон уже в первых экспериментах проявила себя во всей красе, показав, что ее можно применить для создания транзисторов и прочих логических элементов световых компьютеров, но оставался один серьезный минус — работа была возможной лишь при сверхнизких температурах вблизи абсолютного нуля.

Но ученые решили эту проблему. Они научились создавать поляритоны не в полупроводниках, а в органических аналогах полупроводников, которые сохраняли все необходимые свойства даже при комнатной температуре.

На роль такого вещества подошел полипарафенилен — недавно открытый полимер, аналогичный тем, что применяются в производстве кевлара и разнообразных красителей.

Благодаря особому устройству, молекулы полипарафенилена способны даже при высоких температурах порождать внутри себя особые зоны, могущие выполнять функцию квантового колодца классического поляритона.

Заключив пленку из полипарафенилена между слоями неорганических материалов, ученые нашли способ как при помощи воздействия лазерами двух разных типов управлять состоянием квантового колодца и заставлять его испускать фотоны.

Экспериментальный прототип транзистора продемонстрировал способности к рекордно быстрому переключению и усилению светового сигнала при минимальных затратах энергии.

Три таких транзистора уже позволили исследователям собрать первые логические световые приборы, воспроизводящие операции «И» и «ИЛИ». Результат эксперимента дает основание полагать, что дорога к созданию световых компьютеров, — экономичных, быстрых и компактных, — наконец открыта.

Электроника будущего на службе человечества

Электроника будущего на службе человечества

Автор: Сергей Леонов

Здесь публикуются высказывания семи выдающихся изобретателей и руководителей промышленности, заложивших основы и ведущих современные разработки в растущей и весьма перспективной области науки и техники — в области электронных ламп. (Публикация 1930 года, представившая прогноз на 35 лет вперед, то есть на 1965 г. — С.Л.)

Редактор журнала Electronics просил меня ответить на вопрос: «Какова главная роль, которую суждено сыграть электронной лампе для человечества?» Я могу ответить лишь то, что приговор вынесет будущее.

Мне были заданы и вопросы относительно того, как я представляю себе будущие применения электронных ламп для подачи больших мощностей, в звуковом кино, в химии, медицине, для целей образования. Меня спросили также, можем ли мы ожидать огромного увеличения мощности электронных ламп и их функциональных возможностей, подобно тому, как в прошлом была решена задача увеличения мощности первых генераторов для питания осветительных сетей.

Возможности применения электронных ламп почти безграничны. Открывается необъятное поле для исследований в физике, химии, для изучения природы электричества, тепла и света.

Усовершенствования выпрямительной лампы, я уверен, достигнут такой степени, что чрезвычайно упростится передача больших мощностей на далекие расстояния.

Будучи свидетелем первых слабых шагов аудиона (позже получил название «триод» — С.Л.) в качестве детектора радиоволн, усилителя токов в радиоприемных и телефонных устройствах и генератора, способного работать почти на любой частоте, пока, наконец, он не стал основным элементом конструкции всех радиовещательных устройств, я не могу не испытывать огромную гордость при виде того, как он проникает во многие другие области человеческой деятельности, содействуя техническому прогрессу. Теперь, когда стокиловаттные лампы являются изделием, ежедневно выпускаемым промышленностью, не надо обладать слишком смелым воображением, чтобы предсказать, что в области преобразования и передачи мощности свободный электрон, заключенный в оболочку из стекла и меди, вскоре заменит многотонные махины электрических генераторов. Одним из результатов этого будет создание высоковольтных линий постоянного тока для передачи энергии на большие расстояния. И как бы в противовес будут разработаны генераторные лампы чрезвычайно малых размеров, которые позволят физикам формировать незатухающие колебания на частотах, приближающихся к инфракрасной части спектра, и которые станут также инструментом для изучения электрона и исследования вещества во внутриэлектронном масштабе.

В мире медицины на основе новых знаний человека о природе электрона и его способности воздействовать на здоровье человека будут созданы новые терапевтические и диагностические теории, науки о наследственности, росте организмов, об управлении жизненными процессами, о бактериальных культурах и уничтожении микробов. Подобным образом в сельском хозяйстве, ускорив развитие растений, избавившись от сорняков и насекомых-вредителей, мы станем гораздо более независимы от случайностей погоды и климата.

В авиации электрон станет самым надежным из пилотов, когда-либо бравших в руки штурвал, он будет проникать сквозь туман или уничтожать его, предотвращая несчастные случаи при слепом полете. То же можно сказать и о морской навигации. В обрабатывающей промышленности, где сегодня ничего не знают об электроне, завтра он будет организатором, исполнителем и советчиком при проведении таких процессов, как плавка, сварка, сортировка, отсчет и измерение, и позволит добиться такой экономии времени, производительности и точности, о которых мы сейчас не можем и мечтать. Если говорить о таких областях, как телевидение, радио и проводная связь, об их использовании в увеселительных, воспитательных и общекультурных целях, в школе, в театре и дома, то нынешние большие достижения — это всего лишь слабая тень тех грядущих неизмеримых выгод и преобразований, которые электрон и электронная лампа припасли для человечества и которые послужат делу мира, облегчению труда человека, сделают его жизнь долгой и богатой.

В 1904 г. я изобрел выпрямительную лампу для радиоприемных устройств. Она оказалась отправной точкой огромных технических усовершенствований, в результате которых мы имеем беспроволочную телефонию и радиовещание. Со временем эта лампа будет в широких масштабах использоваться для выпрямления переменного тока на электрифицированных железных дорогах и при передаче больших мощностей. Трех— и четырехэлектродные варианты этой лампы являются важной составной частью кинопроекционных и телевизионных устройств. Ее использование в технике кабельной связи увеличит пропускную способность линий связи, так как позволит реализовать метод многократной телеграфии по кабелю. По-видимому, окажется возможным даже трансатлантическое телевидение.

В наборной машине — линотипе Мергенталера — нет почти ничего, кроме рычагов и кулачков, весьма простых механизмов, изобретенных много тысяч лет назад. Вот сколь огромное и плодотворное воздействие на будущее может оказать введение в практику одного-единственного нового технического принципа. Ни один новый физический прибор никогда не находил такого множества чрезвычайно важных практических применений и в такое короткое время, как электронно-ламповый усилитель. Отсюда можно получить косвенное свидетельство о масштабах того влияния, которое окажет изобретение электронной лампы на будущее человека.

Я твердо уверен в том, что электронике в целом суждено оказать на электропромышленность весьма глубокое влияние и что электронную лампу ждет большое будущее не только в радио, но и в других отраслях техники, для применения в которых будет создано множество разновидностей электровакуумных приборов, отличных от хорошо известных стандартных типов, которыми мы располагаем сейчас.

Между тем продолжают быстрыми темпами расти номинальные мощности электронных ламп. Если при разработке систем электрического освещения потребовалось время, почти равное жизни поколения, для того чтобы создать генератор мощностью 200 кВт, то от обнаружения еле ощутимого явления электронной эмиссии до достижения в одной лампе мощности 200 кВт и более прошло лишь несколько коротких лет. Возможности электронных ламп как выпрямителей, преобразователей, разрядников и т. д., по-видимому, безграничны, как и возможности их применения в энергетических системах и промышленности.

В повседневной жизни человека электронным приборам суждено в течение следующего десятилетия произвести столь же решительные революционные изменения, какие произошли за последние пятьдесят лет.

Большинство ученых не любят делать предсказания о будущем. Но мне очень хотелось бы думать, что не существует границ для тех огромных возможностей, которые связаны с применением электронной лампы. Наряду с теми, которые ваш журнал называет «радио» и «аудио», существует, наверное, еще множество применений, ни одно из которых не будет последним.

Электронные лампы уже используются для преобразования переменного тока в постоянный и наоборот. Они изменяют частоту и форму колебаний и позволяют отвести любую нужную часть из последовательных колебаний для использования. Они прерывают ток или преграждают ему путь подобно переключателям, сетевым автоматам и грозозащитным разрядникам. Они дают нам в руки инструмент для исследования воздействия высокочастотных полей на живой организм. Раз уж мы видим, что маленькие электронные лампы со стеклянным баллоном способны делать множество вещей, которые никто не умел делать несколько лет назад, мы, естественно, с надеждой смотрим на аналогичные приборы из металла, предназначенные для той же работы, но в более крупных масштабах.

До сих пор, чтобы электрическую мощность можно было передать на расстояние, повернуть, направить в обратном направлении, переключить или преобразовать, необходимо было перемещать большие массы металла. Электроника, по-видимому, позволяет отделить массу аппарата от его электрических свойств, так что в известном смысле мы можем оставить массы на месте и в то же время перемещать или направлять, тормозить или отключать само электричество.

Электронные лампы явились дальнейшим этапом разработки ламп накаливания. Но теперь мы уже не используем света, который они дают, и многие современные лампы заключены в металлическую оболочку. Не потребуется много времени, чтобы создать работоспособные лампы без стекла, или изменить устройство цокольной части, или выйти за пределы тех размеров, которые, как очевидно, определяются условиями внутри стеклянного баллона. Просто мы пока медлительны и не умеем правильно оценивать новые возможности. Кроме очевидных применений, упомянутых выше, электронная лампа, без сомнения, станет необходимой для решения целого ряда задач, о важности которых мы сейчас не имеем никакого представления, точно так же, как было с рентгеновской трубкой, электронным прибором, который разрабатывался вовсе не для удовлетворения каких-либо назревших потребностей. Когда мы рассматриваем снимки наших костей, нам следовало бы думать о том, сколько еще нам предстоит увидеть.

Наилучшим свидетельством будущего электронных приборов и, в частности, трехэлектродной электронной лампы, по-видимому, является их прошлое. Построенные впервые для детектирования радиотелеграфных сигналов, к 1914 г. эти лампы были усовершенствованы настолько, что их стали постоянно использовать в качестве усилителей или повторителей на трансконтинентальных линиях телефонной связи по проводам. В 1915 г. они применялись как на передающих, так и на приемных станциях первой трансатлантической линии радиотелефонной связи, а в 1924 г. — для быстродействующего телеграфирования по кабелю, проложенному по дну океана. В течение того же периода двух— и трехэлектродные лампы нашли широкое применение в радиовещании и многих других областях, где можно было использовать ценные выпрямляющие и усилительные свойства электронных приборов.

Сегодня многие тысячи электронных ламп всех размеров и конструкций используются в сетях связи, построенных фирмой Bell Systems; множество ламп работает в других аналогичных системах по всему миру. В течение последних пятнадцати лет ученые и инженеры проделали большую работу, позволившую наладить производство прочных, относительно эффективных приборов, которые в ряде случаев способны перерабатывать мощности, измеряемые многими киловаттами. И конца успехам в исследованиях и разработках не предвидится.

15 технологий будущего, которые скоро станут популярными

Искусственный интеллект, нейроинтерфейс и другие фантастические технологии, которые ждут нас в ближайшем будущем.

1. Умные очки

Google Glass — умные очки от поискового гиганта. Они стали доступны ещё в середине 2014 года. Единственная причина, по которой эта технология до сих пор не стала популярной, — цена. Если захотите купить умные очки от Google, вам придётся потратить 1 500 долларов.

Читать еще:  Первые впечатления от Xiaomi Redmi Note 8 Pro: смартфон с камерой на 64 мегапикселя

Но не стоит сбрасывать умные очки со счетов. Когда-то сотовые телефоны тоже не каждый мог себе позволить. Такие титаны, как Microsoft и Sony, работают над своими устройствами. Это значит, что в ближайшее время вы сможете смотреть видео с котиками во время утренней пробежки.

2. Smart Data

Автоматизация — одна из основных задач, которую решают современные технологии. Хотя большая часть процессов в наши дни происходит автоматически, кое-что нам приходится делать вручную. Например, добавлять информацию в список контактов на телефоне. Вероятно, и это вам скоро не придётся делать самостоятельно.

Компания RelateIQ уже работает над технологией, которая будет создавать контакт на основе информации о вашем текущем списке контактов, почтовом ящике, сообщениях. В итоге всё, что вам потребуется, — назвать имя человека. Вся информация появится в вашем телефоне.

3. Носимая электроника

Умные очки и часы — это устройства, которые соединяют нас с внешним миром. Но есть и технологии, которые соединяют нас с нашим телом. Их разработкой занимаются крупные научные институты, корпорации и маленькие компании. Речь идёт о наушниках, которые измеряют частоту сердечных сокращений, линзах, отслеживающих уровень сахара в крови, и татуировках с технологией NFC.

Как только разработчики смогут сделать такие гаджеты доступными, рынок заполнят различные имплантаты, которые будут считывать важную информацию в реальном времени и отображать её на тех же умных очках.

4. Умный дом

Эта технология уже стала реальностью. Холодильники сообщают, какие продукты заканчиваются, а духовку можно контролировать с помощью своего смартфона.

В будущем духовка научится разогревать еду, пока вы едете домой, а холодильник сам закажет продукты. Вы же в это время сможете сосредоточиться на более важных делах.

5. Виртуальная реальность

Oculus Rift, HTC Vive и PlayStation VR — это совершенно новый игровой опыт. Конечно, фантасты давно заигрывают с темой виртуальной реальности, но кто задумывался об этом всерьёз?

Игровые издатели и разработчики тратят многомиллионные бюджеты, чтобы подарить нам новые впечатления от виртуальной реальности. VR-устройствам есть куда расти: они громоздкие и с кучей проводов, но начало положено. В скором времени мы сможем отправиться в любую точку планеты, не выходя из дома.

6. Голографические изображения

Помните голографические интерфейсы в «Звёздных войнах» и «Особом мнении»? Сейчас такая технология уже не кажется чем-то фантастическим.

Область применения голографических проекций ограничивается не только играми и медиа. Представьте контактные линзы, которые проецируют изображение на сетчатку глаза. Люди с проблемами со зрением смогут лучше видеть без операций.

7. Нейроинтерфейс

Подобие нейроинтерфейса давно существует и успешно используется в медицине. Квадриплегики — люди с полным параличом тела — разговаривают с помощью нейроинтерфейса, используя компьютер.

Конечно, технология далека от совершенства. Однако с развитием нейротехнологий парализованный человек сможет вернуться в общество и жить полноценной жизнью.

8. Универсальные сервисы

Глобализация интернета достигла невероятных масштабов. Получить доступ к Сети можно практически в любой точке планеты, а в случае успеха масштабного проекта Илона Маска интернет будет доступен вообще везде.

Неудивительно, что появляются такие сервисы, как Uber. Это такси, которое вы можете вызвать практически в любой стране с помощью мобильного приложения. С недавних пор Uber стал заниматься ещё и доставкой еды. Скоро универсальных сервисов станет ещё больше.

9. Цифровая дистрибуция

Мир стремительно меняется. Каких-то 15 лет назад мы и представить себе не могли, что нам больше не придётся хранить у себя дома стопки дисков с музыкой, фильмами и играми. Steam и онлайн-кинотеатры заменили нам поход в магазин. Вместо нового альбома любимой группы проще купить подписку на музыкальный сервис по аналогичной цене и получить доступ ко всей дискографии.

Конечно, цифровая дистрибуция не достигла своего апогея, а многие продолжают пользоваться физическими носителями, но таких людей становится всё меньше.

10. Роботы

Роботостроение за последние 10 лет шагнуло далеко вперёд. Конечно, до появления терминаторов пройдёт не один десяток лет, а вот машины, способные взвалить тяжёлую и монотонную работу на свои титановые плечи, появятся уже в ближайшем будущем. Например, благодаря компании Boston Dynamics.

11. Биотопливо и возобновляемые источники энергии

Почти наверняка в ближайшие 30 лет мы полностью перейдём от ископаемых источников энергии к возобновляемым. Нефть и газ когда-нибудь закончатся, а вот солнечная и ветровая энергия — нет. Кроме того, солнечные батареи намного экологичнее.

12. Беспроводная передача энергии

Устройства и технологии с каждым годом потребляют всё больше энергии, поэтому нам надо обеспечить её бесперебойную подачу. Беспроводная зарядка для телефона — это только начало.

В Израиле уже протестировали дорогу, которая будет заряжать электромобиль во время езды. Apple в этом году запатентовала технологию, которая позволит заряжать смартфон по Wi-Fi. Если инженеры не в силах создать достаточно ёмкие аккумуляторы, то придётся сделать так, чтобы они вообще не разряжались.

13. 5G-интернет

Постоянно растущие объёмы интернет-трафика задают темп развития мобильным сетям. Мессенджерам, видеозвонкам, 4К-видео и стриминговым сервисам требуются новые технологии передачи данных, так что появление 5G-интернета в ближайшем будущем неизбежно.

14. Искусственный интеллект

Создание полноценного искусственного интеллекта — лишь вопрос времени. Это будет поворотной точкой в развитии человеческой цивилизации, после которой мир изменится навсегда.

На самом деле искусственный интеллект больше не кажется чем-то недосягаемым, особенно при быстрых темпах развития нейросетей. Машинное обучение уже достигло высокого уровня и способно на многое, в том числе писать сценарии, книги и песни.

Конечно, программы работают не так хорошо, как хотелось бы, но нейросеть — отличный пример того, что мы двигаемся в правильном направлении.

15. Графен

В 2004 году был выпущен первый лист графена. С тех пор учёные пытаются найти способ массового производства материала.

Графен — это универсальный материал, обладающий исключительными свойствами. Его можно использовать практически во всех областях нашей жизни. Скоростная передача данных, фильтры для очистки воды и даже небьющийся корпус смартфона — всё это графен. Когда производство этого материала поставят на поток, нас ждёт ещё одна промышленная революция.

Гибкая электроника

Физик Дмитрий Паращук о недостатках кремниевой электроники, требованиях к перспективным электроустройствам и интеллектуальных маркировках

Поделиться статьей

Как будет развиваться электроника? Из чего в будущем будут делать протезы и этикетки на упаковках? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Вся современная электроника основана на кристаллическом кремнии. Она очень высокопроизводительна, эффективна и проникла во все сферы нашей жизни, однако обладает рядом существенных недостатков: кремний хрупкий, и из-за этого устройства, основанные на кремнии, не обладают гибкостью; кроме того, экраны, которые мы используем, все на стекле, что добавляет хрупкости. То есть у традиционной электроники нет такого свойства, как гибкость. Также современная электроника часто имеет большой вес, который связан с высокой плотностью кремния. И наконец, устройства на основе кремния непрозрачны. Поэтому перед будущей электроникой стоят требования: она должна была гибкой, чтобы экран при падении не разбился, чтобы мы его могли согнуть, свернуть, как рулон бумаги. Компьютер будущего — это, наверное, лист бумаги, который мы можем свернуть, сложить и взять с собой.

Только сейчас появился на рынке смартфон, который можно сложить в два раза. Это первый шаг к новому поколению электроники. Еще одно свойство, которым не обладает традиционная электроника, — растяжимость. Представим себе, что устройство не только гибкое, но и растяжимое. Тогда оно может быть интегрировано в одежду или кожу человека. Оно может служить основой датчиков, сенсоров и использоваться для диагностики состояния человека. Наконец, гибкая электроника будущего может быть очень тонкой и легкой. Можно представить обои будущего — экраны, меняющие свою окраску и рисунок.

Если мы говорим об экранах больших форматов, они должны быть дешевые. Стоимость кремниевого чипа составляет сейчас около одного доллара, поэтому электроника будущего должна быть произведена из еще более дешевых материалов. Также мы хотим иметь электронику, которую сможем использовать в качестве интеллектуальных этикеток для маркировок продуктов, описания товаров, продуктов питания, лекарств. Такая интеллектуальная этикетка, например, на пакете молока расскажет о состоянии пакета, когда молоко было произведено, при какой температуре его хранили, каков срок годности.

О каких устройствах гибкой электроники может идти речь? Прежде всего, это экраны смартфонов, планшетов, обои и другие экраны. Еще пример: сканер отпечатков пальцев. Если бы этот сканер был гибкий, он намного точнее определял бы отпечаток и меньше ошибался. Также это могут быть гибкие датчики для рентгеновских исследований. В рентгеновских исследованиях можно использовать гибкие сканеры, которые смогут облегать любую часть тела, и тогда снимок будет более точный и качественный. Следующие устройства, которые интересны для применения в медицине, — это датчики пульса, влажности, давления, электрокардиограммы. Людям, страдающим, например, эпилепсией, можно вживить экран, который будет мониторить состояние и предупреждать о приступах.

В чем заключаются основные проблемы, которые мешают перейти к гибкой электронике? Главная проблема — новые материалы. Традиционный кремний — замечательный полупроводниковый материал, поэтому для электроники будущего нам необходимы гибкие полупроводники. Один из вариантов полупроводников — это органические полупроводники, основанные на органических материалах, например полимерах. Полимеры позволили нам иметь искусственно созданные материалы, которые обладают гибкостью, легкостью, прочностью, из них можно формировать различные структуры, и при этом они дешевые. Но полимеры, к которым мы привыкли, не обладают полупроводниковыми свойствами. А вот органические полимеры сочетают свойства гибкости с полупроводниковыми свойствами.

Сегодня фокус исследований направлен на разработку именно таких органических полупроводниковых материалов. Пока их параметры еще далеки от параметров, которые имеет традиционный кремний, но они уже могут с ними конкурировать. Одна из основных характеристик полупроводника — подвижность зарядов в нем, то есть способность электрического заряда передвигаться в материале под действием приложенного электрического поля. В органических полупроводниках этот параметр уже превосходит тот, который имеет аморфный кремний, использующийся в экранах различных устройств. Кремний, на котором основаны современные процессоры, кристаллический, и его подвижности на порядок выше тех, что достижимы в органике. Сочетание гибкости и умеренных подвижностей носителей зарядов позволяет создавать новый класс устройств, которые обладали бы гибкостью и в то же время могли выполнять различные функции.

Вторая задача, помимо новых материалов, — это постепенная интеграция гибкой электроники в существующие технологии. Речь идет о замене старых материалов органикой в старых же устройствах. Например, мы можем в процессе фотолитографии, который используется для производства интегральных микросхем, заменить основной материал, то есть кремний, на материал органический, который может быть получен без использования высоких температур, вакуума.

Еще один из недостатков органических полупроводников, который сдерживает развитие этой области, — их низкая стабильность. Мы привыкли, что электроника, по крайней мере процессор на кремнии, — это вещь долговечная. Когда все остальное в компьютере приходит в негодность, с процессором практически ничего не происходит. Однако органические материалы не очень хорошо работают под высокими нагрузками, током, светом. Есть различные способы решить проблемы стабильности и долговечности. Можно использовать механистические способы: защитить пленку органического полупроводника от воздействия воды и кислорода защитным покрытием. Например, в кремниевой электронике используется естественный защитник — оксид кремния. В органических полупроводниках также пытаются использовать защитные слои, чтобы повысить их долговечность. Второй способ интереснее, но сложнее: разрабатывать материалы, которые в принципе долговечны и хорошо себя чувствуют в условиях окружающей среды.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector