Новое в компьютерных технологиях. Современные инновационные технологии
Технологии
Мир совершенствуется каждый день, изобретая и открывая что-то новое, и без этих достижений мы бы не продвинулись так далеко.
Ученые, исследователи, разработчики и дизайнеры со всего мира пытаются воплотить то, что упростит нашу жизнь и сделает ее интереснее.
Вот, несколько технологий будущего , которые поднимают нашу жизнь на совершенно другой уровень.
Новые технологии будущего
1. Биохолодильники
Российский дизайнер предложил концепцию холодильника, названного "Bio Robot Refrigerator", который охлаждает еду с помощью биополимерного геля . В нем нет полок, отделений и дверей - вы просто вставляете еду в гель.
Идея была предложена Юрием Дмитриевым для конкурса Electrolux Design Lab. Холодильник использует всего 8 процентов энергии дома для контрольной панели и не нуждается в энергии для фактического охлаждения.
Биополимерный гель холодильника использует свет, генерируемый при холодной температуре, чтобы сохранять продукты. Сам гель не имеет запаха и не липкий, а холодильник можно установить на стене или на потолке.
2. Сверхбыстрый 5G Интернет от беспилотников с солнечными панелями
Компания Google работает над дронами на солнечных панелях, раздающими сверхскоростной Интернет в проекте, названном Project Skybender . Теоретически беспилотники будут предоставлять Интернет услуги в 40 раз быстрее , чем в сетях 4G, позволяя передавать гигабайт данных в секунду.
Проект предусматривает использование миллиметровых волн для предоставления сервиса, так как существующий спектр для передачи мобильной связи слишком заполнен.
Однако эти волны имеют более короткий диапазон, чем мобильный сигнал 4G. Компания Google работает над этой проблемой, и если удастся решить все технические проблемы, вскоре может появится Интернет небывалой скорости.
3. 5D диски для вечного хранения терабайтов данных
Исследователи создали 5D диск, который записывает данные в 5 измерениях, сохраняющиеся миллиарды лет. Он может хранить 360 терабайт данных и выдержать температуру до 1000 градусов .
Файлы на диске сделаны из трех слоев наноточек. Пять измерений диска относятся к размеру и ориентации точек, а также их положению в пределах трех измерений. Когда свет проходит через диск, точки меняют поляризацию света, которая считывается микроскопом и поляризатором.
Команда из Саутгемптона, которая разрабатывает диск, смогла записать на диск Всеобщую декларацию прав человека, Оптику Ньютона, Магна Карту и Библию. Через несколько лет такой диск уже не будет экспериментом, а станет нормой хранения данных.
4. Инъекции частиц кислорода
Ученые из Бостонской детской больницы разработали микрочастицы, наполненные кислородом, которые можно вводить в кровоток , позволяя вам жить, даже если вы не сможете дышать.
Микрочастицы состоят из одного слоя капсул липидов, которые окружают небольшой пузырь кислорода. Капсулы размером 2-4 микрометра подвешены в жидкости, которая контролирует их размер, так как пузыри большего размера могут быть опасны.
При введении, капсулы, сталкиваясь с красными кровяными клетками, передают кислород. Благодаря этому методу удалось ввести в кровь 70 процентов кислорода.
5. Подводные транспортные туннели
В Норвегии планируют построить первые в мире подводные плавающие мосты на глубине 30 метров под водой с помощью больших труб, достаточно широких для двух полос.
Учитывая сложности перемещения по местности, в Норвегии решили работать над созданием подводных мостов. Ожидается, что проект, на который уже затрачено 25 миллиардов долларов, будет закончен в 2035 году.
Предстоит еще учесть и другие факторы, например, влияние ветра, волн и сильных течений на мост.
6. Биолюминесцентные деревья
Группа разработчиков решила создать биолюминесцентные деревья с помощью фермента, встречающегося у некоторых медуз и светлячков .
Такие деревья смогут освещать улицы и помогут прохожим лучше видеть ночью. Была уже разработана небольшая версия проекта в форме растения, светящегося в темноте. Следующим шагом станут деревья, освещающие улицы.
7. Сворачивающиеся в рулон телевизоры
Компания LG разработала прототип телевизора, который можно свернуть как рулон бумаги .
Телевизор использует технологию светодиодов на основе полимерной органики, чтобы уменьшить толщину экрана.
Кроме LG, другие крупные производители электроники, такие как Samsung , Sony и Mitsubishi работают над тем, чтобы сделать экраны более гибкими и портативными.
Развитие технологий в будущем
8. Бионическая линза для све р хчеловеческого зрения
Канадский врач собирается проводить клинические тестирования "бионических линз", которые в 3 раза улучшают стопроцентное зрение с помощью 8-минутной безболезненной операции.
Новая линза будет доступна уже к 2017 году, улучшая естественный хрусталик глаза. Во время операции шприц внедряет линзу с физиологическим раствором в глаз, и через 10 секунд сложенная линза распрямляется и располагается над естественным хрусталиком, полностью корректируя зрение.
9. Спрей-одежда
Испанский дизайнер Манел Торрес (Manel Torres) изобрел первую в мире спрей-одежду. Вы можете нанести спрей на любую часть тела, а затем снять его, смыть и снова носить .
Спрей сделан из специальных волокон, смешанных с полимерами, которые придают ткани эластичность и долговечность. Эта технология позволит дизайнерам создавать уникальные предметы одежды с оригинальным дизайном.
10. Портреты, полученные из ДНК
Студентка Хизер Дюи-Хагборг создает 3D портреты из ДНК, найденных на сигаретных окурках и жевательных резинках на улице.
Последовательности ДНК она вводит в компьютерную программу, которая создает облик человека с образца. Обычно в ходе этого процесса выдают 25-летнюю версию человека. Затем модель распечатывают в 3D портреты в натуральную величину.
11. Покупки в виртуальной реальности
Один из таких магазинов был открыт на железнодорожной станции в Южной Корее, где вы можете сделать заказ, сфотографировав штрих-код , и ваши покупки доставят домой.
Сеть магазинов Homeplus установила шесть дверей-экранов с изображениями полок в натуральную величину c товарами, которые вы приобрели бы в супермаркете. Под каждым товаром есть штрих-код, который можно отсканировать и отправить с помощью приложения.
Вы можете сделать заказ на станции по дороге на работу, и товары доставят к вам домой вечером.
12. Беспилотные автомобили
Ожидается, что к 2020 году появится около 10 миллионов беспилотных автомобилей , что снизит количество смертей на 2500 между 2014 и 2030 годом.
Многие производители автомобилей уже начали внедрять некоторые функции автоматического вождения в производимых автомобилях.
Также есть множество компаний, пытающихся разработать технологии для самоуправляемых автомобилей, как например, Google, объявивший о прототипе беспилотного автомобиля. Полностью автономный автомобиль ожидается к 2019 году.
13. Город под куполом
В Дубае идет строительство торгового центра, называемого "Mall of the World", накрытого выдвижным куполом , который контролирует климат внутри, и снабжает кондиционированием воздуха.
Комплекс займет площадь 4,46 км2 и и будет включать крупный центр красоты и здоровья, культурно-развлекательный район, отели на 20 тысяч номеров и многое друге. Это будет самый крупный торговый центр с закрытым тематическим парком.
14. Искусственные листья, преобразующие углекислый газ и солнечный свет в топливо
Ученые разработали новые солнечные элементы, преобразующие углекислый газ в атмосфере в топливо с помощью Солнца .
Хотя предпринималось немало попыток преобразования углекислого газа во что-то полезное, впервые был разработан реальный метод. В отличие от других технологий, для которых нужны благородные металлы, такие как серебро, этот метод использует материал на основе вольфрама, который в 20 раз дешевле и действует в 1000 раз быстрее.
Эти солнечные элементы используют углекислый газ из атмосферы, чтобы произвести синтетический газ – смесь газообразного водорода и окиси углерода, который можно напрямую сжигать или преобразовывать в углеводородное топливо.
Технологии ближайшего будущего
15. Плазменное силовое поле, защищающее автомобили от несчастных случаев и столкновений
Компания Boeing запатентовали метод создания плазменного поля, быстро нагревая воздух, чтобы быстро поглощать ударные волны.
Силовое поле можно будет генерировать с помощью лазеров или микроволнового излучения. Созданная плазма представляет собой воздух, нагретый до более высокой температуры, чем окружающий воздух, с другой плотностью и составом. Компания считает, что оно сможет отражать и поглощать энергию, генерируемую взрывом, защищая тех, кто находится внутри поля.
Если технологию удастся воплотить в жизнь, это станет революционным развитием в военной области.
16. Плавучие города
Плавающий экополоис, названный Lilypad, был предложен архитектором Винсентом Каллеба (Vincent Callebaut) для будущих климатических беженцев в качестве долговременного решения проблемы повышения уровня моря. Город может вместить 50 000 людей, используя возобновляемые источники энергии.
Обсудим такое нововведение, как появление персональных компьютеров. Чтобы понять значение этого явления, надо начать с краткой истории развития компьютерной отрасли (согласно монографии ).
С 40-х годов развитие вычислительной техники шло в направлении создания все более и более мощных компьютеров.
Они занимали большие залы, потребляли массу электроэнергии. Между пользователем и ЭВМ, как правило, стоял посредник - программист. Для расширения доступа к ЭВМ к одному системному блоку присоединяли несколько мониторов. В 70-х годах начались разговоры о сетях ЭВМ, об объединении вычислительных ресурсов. Реальная ситуация была иной: даже общение с "материнской" ЭВМ зачастую представляли трудности из-за несовершенства технического и программного обеспечения - приходилось, сидя у монитора, долго ждать ответа на простейшие вопросы, поскольку ресурсы центральной ЭВМ тратились в это время на работу с другими мониторами, в основном на перекачку из ЭВМ на монитор и обратно больших массивов данных и программного обеспечения.
Первые экземпляры персональных компьютеров появились в 1973 г. К ним вначале относились как к редким дорогостоящим игрушкам. Однако уже в 1976 г. было продано более 20 тысяч персональных компьютеров, причем три четверти из них купили те, кто собирался применять новый вид ЭВМ в своей профессиональной деятельности, а не только в сфере досуга. И начался бум. В 1977 г. использовалось 50 тысяч персональных компьютеров, а через 5 лет - в 1982 г. - уже 5 миллионов. Рост в 100 раз!
Фирмы, подхватившие поддержанное потребителями нововведение, стремительно росли. Основанная в 1977 г. фирма "Эппл компьютер" с общим капиталом в 2500 долларов за 6 лет достигла годового объема продаж в 1 миллиард долларов.
Фирмы, выпускавшие большие ЭВМ, не предвидели появления и бурного успеха персональных компьютеров и не смогли сразу перестроиться. Экономические последствия ошибки прогноза тенденций развития компьютерной индустрии измерялись к началу 80-х годов сотнями миллионов долларов США ущерба (фирмы "Айтел", "Ай-си-эл") или миллиардами долларов упущенной прибыли (фирма "ИБМ"). В результате в сентябре 1980 г.
Одна из крупнейших компьютерных фирм "Айтел" была объявлена банкротом. Общая сумма задолженности составляла к этому времени 1,2 миллиарда долларов. И это при том, что с 1974 по 1978 г. валовой доход ""Айтел" вырос в 4 раза и достиг 69о миллионов долларов США.
В 1979 г. валовой доход фирмы "ИБМ", измеренный в постоянных ценах, впервые (за все время ее занятий компьютерным бизнесом) уменьшился. Но гигант устоял, перехватив инициативу у первооткрывателей. 12 августа 1981 г. фирма "ИБМ" выпустила свой собственный персональный компьютер. И в настоящее время в России 99 % персональных компьютеров выпущены либо непосредственно этой фирмой, либо фирмами, чья продукция совместима с компьютерами фирмы "ИБМ".
Другие виды компьютеров, например, семейство "Макинтошей" фирмы-первооткрывателя персональных компьютеров "Эппл компьютер", выглядят в России экзотикой. Связано это с особенностями экономической истории России. Общепризнанные к настоящему времени ошибки в технической политике отечественных товаропроизводителей в области компьютерной техники привели к тому, что российский рынок оказался практически полностью свободным для импортных компьютеров. Первым ворвались на этот рынок и практически полностью захватили его фирмы, производящие совместимые с ИБМ компьютеры. Перед "Эппл компьютер" стоял запрет, наложенный в годы "холодной войны". Когда запрет сняли - было уже поздно - рынок захватили конкуренты. И "Макинтоши" с трудом отвоевали 1 % рынка.
Между тем "Эппл компьютер" выпускает больше компьютеров, чем любая иная фирма, больше, чем даже "ИБМ". Всего 10-12 % машин от мирового выпуска. Но "ИБМ" выпускает вместе с партнерами, чья продукция совместима с персональными компьютерами "ИБМ", а "Эппл компьютер" - в гордом одиночестве. Поэтому, несмотря на ряд технических и программных преимуществ продукции фирмы "Эппл компьютер", позиции "ИБМ" выглядят более предпочтительно. Вырваться вперед оказалось легче, чем удержаться на первых ролях.
В России и СНГ установлено и эксплуатируется 50 суперкомпьютеров - в Москве, Санк-Петербурге, Минске, Киеве, Новосибирске, Казани, Иркутске, Дубне, Королеве и других городах РФ и Подмосковья. Среди них отечественные суперкомпьютеры СКИФ российско-Белорусского производства, а также компьютеры отечественной сборки Т-Платформа.
- ВАК, проф.,док.комп.наук 11:55, 29 августа 2009 (UTC)
Инновации в иформатике и ИКТ
Инновации в информатике и ИКТ - одно из ключевых направлений инновационного развития бизнеса, экономики и образования в России, странах СНГ, Европы, Азии и во всем мире. Инновация - это новшество или нововведение, а только такое, которое серьезно повышает эффективность действующих систем.
Глобальные Инновации - это Интернет и Интернет-технологии с сайтами, мерверами, порталами, Интернет-магазинами и дистанционным обучением, с электронными библиотеками и электронными энциклопедиями и глобальными отечественными и международными поисковыми системами,
Инновация - это результат разработки и получения нового знания, ранее не применявшейся идеи по обновлению технологии; изделия; организационные формы, такие как образование, управление, организация труда, обслуживание, наука, информатизация и т. д.) и последующий процесс внедрения (производства), с получением дополнительной ценности (прибыль, коренное улучшение, прогресс).
Инновации ИКТ в образовании - это внедрение в школах ЕГЭ по информатике как вступительного экзамена в вузы на компьютерные, технические, инженерные и математические специальности, в которых учащиеся должны показать знания и умения работы с офисными пакетами и умения решать задачи на ЭВМ.
Инновации в бизнесе, экономике и образовании подразделяются:
- инновационные идеи
- инновационные проекты
- инновационные продукты
- инновационные технологии
Инновации в информатике
В средних школах введен «Единый экзамен ЕГЭ по информатике», который одновременно является вступительным экзаменом по информатике во все вузы России на компьютерные, технические, инженерные и математические специальности.
В вузах России введено большое число компьютерных специальностей по информатике и ИКТ, направленных на подготовку специалистов, разработчиков, внедренцев и системных администраторов информационных систем, баз данных, корпоративных серверов и порталов:
- ВАК, проф.,док.комп.наук 06:04, 16 июля 2009 (UTC)
Открытое ПО в школах и вузах
Решением правительства РФ в марте 2008 года, все средние школы России получили базовые пакеты коммерческого закрытого программного обеспечения для обучения компьютерной грамотности, основам информатики и новым информационным технологиям с операционными системами Windows .
В трёх регионах России в 2008 году развёрнуты работы по внедрению и использованию в средних школах базовых пакетов программ для кабинетов информатики и вычислительной техники и начата подготовка учителей и преподавателей информатики технологии работы с открытым программным обеспечением в среде Windows и Linux .
- ВАК, проф.,док.комп.наук 06:03, 16 июля 2009 (UTC)
Интернет-технологии в вузах и школах
Интернет-технологии в информатике - различного рода практикумы по созданию сайтов, блогов, электронных библиотек и энциклопедий в сети Интернет.
Интернет-сайты - это наборы гипертекстов с гиперссылками, размещаемых на серверах и порталах в компьютерной сети Интернет.
Блоги в Интернет - это интернет-сайты, совмещенные с интерактивными форумами для общения и публикации сообщений и комментариев посетителей сайтов.
Создание сайтов в Интернет - одна из важнейших задач курсов информатики в вузах и школах студентами и школьниками.
Электронные библиотеки и энциклопедии - это новейшие технологии публикации научной и учебной литературы в сети Интернет.
Создание гипертекстовых программ на языке JavaScript - один из лучших примеров обучения программированию, поскольку эти программы можно публиковать и тестировать в Интернет.
Приведенные ниже программы на языке JavaScript были написаны и опубликованы в Интернет и до сих пор работоспособны и доступны для подражания и разработки новых Интернет-учебников.
Язык JavaScript является одним из лучших языков обучения программированию в Интернет и в вузах и школах и в дистанционном обучении.
Компьютерные специальности в вузах
Информатика в вузах представляет комплекс фундаментальных компьютерных дисциплин и курсов подготовки компьютерных специалистов от разработки аппаратуры и оборудования, до разработки программного обеспечения и разработки информационных систем и технологий. Информатика - это зрелая фундаментальная наука о накоплении, обработке и передачи информации в ЭВМ и сетях ЭВМ вплоть до глобальной компьютерной сети Интернет с ее гигантскими информациоными ресурсами и глобальными информационно-поисковыми системами.
Специально для раздела РИА Наука >>
Стивен Перлберг (Steven Perlberg)
Всемирный экономический форум, известный своей ежегодной встречей в швейцарском Давосе, опубликовал новый доклад, в котором обозначены главные технологические тенденции текущего года.
«Технологии стали, пожалуй, величайшим проводником перемен в современном мире, — пишет предприниматель Нубар Афеян (Noubar Afeyan). - Без риска здесь никогда не обходится, но позитивные технологические прорывы обещают дать новаторские решения самых неотложных мировых проблем современности — от нехватки ресурсов до глобальных изменений окружающей среды».
«Выдвигая на передний план самые важные технологические достижения, Совет стремится повысить информированность об их потенциале и способствовать закрытию брешей в инвестициях, регулировании и общественных представлениях», — отмечает он.
Ниже приводится краткое описание новейших технологий, на которые следует обратить внимание в этом году, - от носимой электроники до интерфейсов «мозг-компьютер».
1. Приспособленная к телу носимая электроника
Полиция Нью-Йорка тестирует "умные" очки Google Glass В распоряжении полицейских есть несколько устройств, с помощью которых проверяется, как можно использовать подобную технику для решения повседневных задач. По данным СМИ, полицейские могут применять Google Glass для распознавания лиц, получения данных из архивов, записи видео и подготовки отчетов.«Среди этих практически невидимых устройств есть наушники-вкладыши, следящие за частотой сердечных сокращений, датчики под одеждой, контролирующие осанку, временные татуировки, отслеживающие работу жизненно важных органов, и тактильные подошвы, показывающие дорогу по GPS путем вибрации, которую человек ощущает ступнями ног.
У этой техники есть масса самых разнообразных применений: тактильные подошвы предлагается использовать в качестве поводыря для слепых, а Google Glass уже носят онкологи, поскольку это устройство помогает им в проведении операций, показывая медицинские данные и прочую визуальную информацию по голосовым командам.
2. Наноструктурированные графитные композитные материалы
Загрязняющие атмосферу автомобильные выхлопы от быстро растущего парка автомашин вызывают все большую озабоченность у экологов. Поэтому повышение рабочей эффективности транспорта является многообещающим направлением для снижения общего воздействия загрязнений.
Новые методы наноструктурирования углеродного волокна для новейших композитных материалов демонстрируют возможность снизить вес автомобилей на 10% и более. Легкой машине нужно меньше топлива, в связи с чем повысится коэффициент полезного действия при перевозке людей и товаров и снизится выброс в атмосферу парниковых газов».
3. Добыча металлов в концентрате морской воды при опреснении
Запасы пресной воды продолжают уменьшаться, и в связи с этим одним из решений проблемы стало опреснение морской воды. Но у опреснения есть серьезные недостатки. Оно требует большого количества энергии, и кроме того, в результате образуются отходы в виде концентрированной соленой воды, которая при возвращении в море оказывает серьезное негативное воздействие на морскую флору и фауну.
Пожалуй, самым многообещающим решением этой проблемы может стать новое отношение к этому концентрату, если смотреть на него не как на отходы производства, а как на сырьевой источник очень ценных веществ. Среди них литий, магний и уран, а также обычная сода, кальций и калийные соединения.
4. Хранение электричества в промышленных масштабах
Есть признаки того, что многие новые технологии помогут нам вплотную подобраться к решению ряда проблем. Некоторые из них, скажем, проточные батареи, в будущем смогут сохранять в жидком виде и в больших количествах химическую энергию, подобно тому, как мы храним уголь и газ.
Различные твердые батареи тоже позволят сохранять достаточно большие объемы энергии в довольно дешевых и доступных материалах. Изобретенные недавно графеновые конденсаторы большой емкости дают возможность очень быстро заряжать и разряжать аккумуляторы, совершая многие десятки тысяч циклов. Есть и другие варианты, скажем, использование потенциала кинетической энергии в больших маховиках и хранение сжатого воздуха под землей.
5. Нанопроволочные литиево-ионные батареи
2014 год: каким научным идеям пора в отставку Известные ученые составили свой список популярных научных идей, которые потеряли свою актуальность в свете новейших исследований и современных взглядов.Эти батареи нового поколения способны быстрее проводить полную зарядку и вырабатывать на 30-40% больше электричества, чем сегодняшние литиево-ионные батареи. Это поможет преобразить рынок электромобилей и позволит хранить солнечную электроэнергию в домашних условиях. Вначале в ближайшие два года батареи с кремниевым анодом станут использовать в смартфонах.
6. Дисплей без экрана
В этой области значительный и стремительный прогресс был достигнут в 2013 году. Похоже, в ближайшее время нас ждут важные прорывы в размерно варьируемом применении дисплеев без экрана. Различные компании добиваются серьезных успехов в этой области. Речь идет о головной гарнитуре виртуальной реальности, о бионических контактных линзах, о разработке мобильных телефонов для пожилых и слабовидящих людей, а также о видеоголограммах, не требующих очков и подвижных деталей.
7. Лекарства для кишечной микрофлоры человека
Сейчас большое внимание уделяется кишечной микрофлоре и ее роли в возникновении различных заболеваний — от инфекций и ожирения до диабета и воспалений пищеварительного тракта.
Стало понятно, что лечение антибиотиками приводит к разрушению кишечной флоры и вызывает такие осложнения, как инфекции от бактерии Clostridium difficile. А в некоторых случаях осложнения могут даже создать угрозу жизни человека. С другой стороны, сейчас ведутся клинические исследования группы микробов, обнаруженных в здоровом кишечнике, которые помогут создать лекарства нового поколения с целью совершенствования процесса лечения кишечной микрофлоры человека.
8. Лекарства на основе РНК
Достижения в исследовании рибонуклеиновых кислот (РНК) и в технологиях синтеза в живом организме позволяют создать лекарства нового поколения на основе РНК. Эти лекарства смогут разбавить присутствующий в чрезмерных количествах натуральный белок и позволят производить в естественных условиях организма оптимизированные лекарственные протеины. В сотрудничестве с крупными фармацевтическими компаниями и научными центрами создан ряд частных фирм, которые будут разрабатывать лекарства и лечение на основе РНК.
9. Познай себя (прогнозная аналитика)
В смартфонах содержится огромное количество информации о деятельности людей, в том числе тех, кого они знают (списки контактов, приложения социальных сетей), с кем общаются (регистрация вызовов, регистрация текстовых сообщений, электронная почта), куда ходят (GPS, Wi-Fi фотографии с привязкой к местности) и что делают (используемые нами приложения, данные по нагрузкам).
Используя эту информацию, а также специальные алгоритмы машинного осмысления, можно строить детальные прогнозные модели о людях и об их поведении. Это поможет в работе по городскому планированию, в назначении индивидуальных лекарств, в учете будущих потребностей и в медицинской диагностике.
10. Интерфейсы «мозг-компьютер»
Возможность управлять компьютером исключительно силой разума ближе к реальности, чем вы думаете. Интерфейсы «мозг-компьютер», в которых компьютер считывает и интерпретирует сигналы непосредственно из головного мозга, уже проходят клинические испытания и демонстрируют неплохие результаты. Они позволят людям, страдающим квадриплегией (паралич рук и ног), синдромом изоляции и тем, кто перенес инсульт, передвигаться в своей инвалидной коляске и даже пить кофе из чашки, управляя роботизированной рукой при помощи мозговых волн. Кроме того, мозговые имплантаты помогают частично восстановить зрение тем, кто утратил его.
Лазерные чипы, гибкие печатные схемы, мемристоры и другие чудеса техники уже совсем рядом! Представьте себе мир, в котором электронные устройства заряжают себя сами, музыкальные плееры, способные проиграть всю вашу аудиоколлекцию, самовосстанавливающиеся батареи и чипы, изменяющие свои возможности «на лету». Судя по тому, над чем сегодня работают американские исследовательские лаборатории, все это не только возможно, но и перспективно.
«Следующие пять лет станут действительно впечатляющим периодом в развитии электроники, — говорит Дэвид Сейлер (David Seiler), глава подразделения полупроводниковой электроники коммерческого отдела Национального института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) в Гейтерсберге, штат Мерилэнд. - Множество вещей, которые сегодня кажутся далекой фантастикой, получат повсеместное распространение».
Итак, вы готовы начать путешествие в будущее электроники? Многие из идей, о которых мы расскажем сегодня, могут выглядеть фантастически, некоторые покажутся лишенными здравого смысла, но все их объединяет то, что они уже были опробованы в лабораториях и имеют все шансы превратиться в коммерческие продукты в ближайшие 5 лет.
Основная тема этой статьи - новые разработки в области микропроцессорной техники - от процессоров, передающих данные с помощью лазеров, заменяющих провода, до схем, выполненных на основе новых материалов, которые придут на смену традиционному кремнию. Эти технологии могут стать строительным материалом для множества новых инновационных продуктов, некоторые из которых мы даже не можем себе представить сегодня.
Чипы без проводов: лазерное соединение
При ближайшем рассмотрении можно увидеть, что типичный микропроцессор содержит миллионы тонких проводов, которые тянутся во все направления, соединяя активные элементы. Заглянув под поверхность вы найдете еще раз в пять больше проводов. Юрген Мишель (Jurgen Michel), ученый из Центра микрофотоники при Массачусетском технологическом институте в Кембридже (MIT"s Microphotonics Center in Cambridge), намерен заменить все эти провода импульсами германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.
«По мере увеличения числа ядер и компонентов в процессорах соединительные провода переполняются данными и становятся слабым каналом связи. Использование фотонов вместо электронов позволяет улучшить ситуацию», — объясняет Мишель.
Перемещая данные со скоростью света, германиевые лазеры способны передавать биты и байты информации в 100 раз быстрее, чем путем перемещения электронов по проводам. Это особенно важно для связи между ядрами процессора и его памятью. Так же, как оптоволоконные линии улучшили эффективность телефонных звонков, использование лазеров в микропроцессорах может поднять обработку данных на небывалые высоты.
Самое приятное, что система Массачусетского технологического института не требует применения внутри процессоров огромного количества тоненьких кабелей. Вместо этого чип содержит множество скрытых туннелей и полостей, по которым перемещаются световые импульсы, а крошечные зеркала и сенсоры передают и интерпретируют данные.
Сочетание традиционной кремниевой электроники с оптическими компонентами, известное как кремниевая фотоника, может сделать компьютеры более экологичными - дружественными для окружающей среды. И все потому, что лазеры потребляют меньше энергии, чем провода, и излучают меньше тепла в окружающее пространство.
«Оптоэлектроника - это настоящий святой Грааль, — говорит Сейлер. - Она позволяет расширить возможности электроники и предоставляет при этом отличный способ снизить энергопотребление, поскольку не содержит проводов, которые являются настоящими теплорадиаторами для окружающего пространства».
В феврале 2010 года Мишель и его коллеги, Лайонел Кимерлинг (Lionel Kimerling) и Джифенг Лиу (Jifeng Liu), успешно создали и протестировали действующую схему, использующую для передачи данных встроенный германиевый лазер. В новом чипе была достигнута скорость передачи данных свыше 1 ТБ/с, что на два порядка быстрее, чем позволяют лучшие современные чипы с проводными соединениями.
Новый чип был создан с использованием современных технологий производства полупроводников с некоторыми дополнениями, поэтому Мишель считает, что переход к использованию чипов на основе лазерных соединений состоится уже в ближайшие пять лет. Если дальнейшие тесты пройдут успешно, MIT лицензирует технологию производства. Широкое распространение нового типа чипов ожидается к 2015 году.
Более того, к 2015 году ожидается появление компьютеров с 64-ядерными процессорами, ядра которых будут работать независимо и одновременно.
«Соединять их при помощи проводов - тупиковый путь, — говорит Мишель. - Использование германиевого лазера имеет грандиозный потенциал и большое преимущество».
Новейшие схемы: мемристоры
Ваш MP3-плеер переполнен любимыми музыкальными композициями и вы чувствуете себя сродни убийце, удаляя тот или иной трек? В таком случае мемристоры могут прийти как раз вовремя.
Это первые фундаментально новые электронные компоненты после создания в 50-х годах прошлого века кремниевых транзисторов. Мемристоры являются более скоростной, долговечной и потенциально более дешевой альтернативой флэш-памяти. А еще они в два раза более емкие - настоящее раздолье для любителей музыки.
.jpg)
«Если сегодня мы решим пересмотреть технологию производства компьютеров, мы просто обязаны использовать мемристорную память, считает Р. Стенли Уильямс (R. Stanley Williams), ведущий исследователь и глава группы квантовых исследований (Quantum Science Research, QSR) HP Labs в Пало-Альто, Калифорния. - Это фундаментальная структура для будущей электроники».
Мемристор - другими словами, резистор с памятью, — впервые упомянул профессор Калифорнийского университета Леон Чу (Leon Chua) еще в 1971 году. Но мемристорные прототипы HP Labs не демонстрировались публично вплоть до 2008 года.
Для создания мемристоров HP использует чередующиеся слои диоксида титана и платины. Под электронным микроскопом они выглядят как серии длинных параллельных выступов. Ниже под прямым углом расположен такой же слой, образуя «кубики» с размерами ячеек 2 х 3 нм.
Ключевой момент состоит в том, что любые два соседних провода можно соединить с электрическим переключателем под поверхностью, создавая ячейку памяти. Изменяя напряжение, прилагаемое к «кубикам», ученые могут открывать и закрывать крошечные электронные переключатели, сохраняя данные, как в традиционных чипах флэш-памяти.
Новый тип памяти получил название ReRAM (Resistive Random Access Memory). Такие чипы не только позволяют сохранить в два раза больше данных, чем флэш, но и работают в 1 000 раз быстрее, а также выдерживают до 1 000 000 циклов перезаписи, по сравнению со 100 000 циклов перезаписи у стандартной флэш-памяти. Кроме того, ReRAM читает и записывает данные на сравнимых скоростях, тогда как флэш-памяти требуется намного больше времени для записи данных, чем для их чтения.
HP и южнокорейская компания Hynix заключили договор о сотрудничестве с целью наладить массовое производство чипов ReRAM, которые смогут найти применения во многих портативных устройствах, таких как мультимедийные плееры. А ведь это означает терабайты музыкальных треков, видео и электронных книг! Первые продукты с новыми чипами памяти ожидают на рынке в 2013 году.
ReRAM также придет на смену динамической оперативной памяти в компьютерах. Поскольку ReRAM энергонезависима, она не будет терять информацию при выключении системы и не будет расходовать электроэнергию, в отличие от DRAM. По мнению Уильямса, грядет эра мгновенной обработки данных. Сегодня пользователи чаще не выключают компьютеры, а отправляют их в спящий режим. Но все равно для «пробуждения» компьютерной технике требуется от нескольких секунд до минуты, и лишь после этого доступ к данным будет восстановлен. Устройства, использующие ReRAM, возвращаются в рабочее состояние мгновенно.
Более того, по словам Уильямса, есть возможность размещать массивы мемристоров внутри чипа один над другим. Это путь к созданию 3D-памяти, которая позволит более рационально использовать пространство внутри чипа, вмещать гораздо больше памяти в одинаковый физический объем.
«Не существует фундаментальных ограничений на количество слоев, которые мы можем произвести, — объясняет Уильямс. - В ближайшие 10 лет мы можем создать чипы с объемом памяти в петабайт». Это миллион гигабайтов памяти, его достаточно для хранения видео высокой четкости, которого хватило бы на год просмотра. При этом размеры самого чипа не превышают размеров человеческого ногтя.
«Память - это только одна из возможностей применения мемристоров, но далеко не единственная. У этой технологии гигантский потенциал», — считает Сейлер.
В ближайшие 20 лет дизайн компьютеров может быть пересмотрен. В 2010 году исследователи из HP обнаружили, что мемристоры можно использовать для логических вычислений, а не только для хранения данных. Это означает, что, теоретически, обе эти функции можно реализовать на одном чипе.
И опять слово Уильямсу: «Один мемристор способен заменить множество схем, что в свою очередь позволит упростить архитектуру, дизайн и работу компьютеров». Например, один мемристор способен заменить шесть транзисторов, используемых для создания статичных ячеек RAM в кэш-памяти процессора.
По мнению Уильямса, мемристорная технология позволит даже создать искусственные нейронные синапсы, способные имитировать работу мозга. Сегодня это лишь отдаленные перспективы, но главное - в принципе возможные.
«Мемристоры имеют все шансы переписать правила электроники», — говорит Супратик Гуха (Supratik Guha), директор департамента физических наук IBM. Однако, по его мнению, технология требует дальнейшего совершенствования. «Они могут иметь потенциал в качестве элементов памяти, — добавляет он. - Но, как и любая другая технология, здесь следует двигать ползком, прежде чем идти и идти, прежде чем бежать».
Другими словами, мемристорные технологии не появятся неожиданно. Пройдет еще много времени, прежде чем мемристоры станут столь же широко распространенными, как DRAM или флэш-память.
Изменяемые чипы: программируемые слои
От самых скоростных процессоров к самым миниатюрным модулям памяти. Почти все чипы, используемые в современной электронике, имеют одну общую черту: их активные элементы находятся в верхних 1-2% слоя кремния, из которого он сделан.
В ближайшие несколько лет ситуация изменится, так как производители будут стараться втиснуть в вертикальные слои как можно больше компонент. Некоторые производители, такие как Intel, используют технологии склеивания отдельных чипов, а ученые из Университета Рочестера создают многослойные 3D-структуры внутри чипов. Оба подхода являются очень сложными и дорогими.
Вот если бы можно было заставить чипы перестраивать свою схему «по требованию», чтобы иметь несколько слоев активных элементов. Эта идея была воплощена в технологии Spacetime от Tabula и нашла применение в архитектуре чипов ABAX.
Вместо того, чтобы намертво впечатывать в кремний несколько слоев постоянных компонент, ABAX использует перепрограммируемые схемы, которые могут изменять функции в зависимости от требований пользователя. Сегодняшние чипы производителя содержат 8 разных слоев, свойства которых можно изменить в мгновение ока..jpg)
«Это выглядит примерно как супермаркет с восемью этажами, — объясняет Стив Тиг (Steve Tieg), глава по технологиям компании Tabula. - Чтобы перемещаться между этажами вы пользуетесь эскалатором». Но вместо того, чтобы создавать восемь отдельных физических этажей с собственной структурой и ассортиментом товаров, Tabula продемонстрировала способ создать единый слой (или этаж), который можно переконфигурировать в зависимости от задач.
«Это можно сравнить с тем, как если бы пока покупатель находится на эскалаторе, кто-то перестраивал бы этаж, чтобы создать нужный уровень с нужными продуктами, — добавляет Тиг. - Обстановка за пределами эскалатора выглядит так, будто покупатель находится на восьмом этаже, но на самом деле этаж один, просто изменившийся в соответствии с его потребностями».
Перепрограммирование чипа в рабочее состояние занимает всего 80 пикосекунд, в 1000 раз быстрее цикла вычислений обычного чипа. Таким образом, слои меняются практически «на лету», пока чип находится в ожидании следующей цепочки команд.
Таким образом, чипы ABAX позволяют сделать больше с меньшими затратами. Сделанные с использованием традиционной технологии производства полупроводников, чипы Tabula ABAX обходятся производителю примерно в ту же сумму, что и производство обычных чипов. Данный дизайн по-прежнему использует только верхние слои чипа, но один слой выполняет функции восьми различных чипов. По словам Тига, технология позволяет увеличить плотность схем в два раза, а память и пропускную способность видео - в 3.5 раза.
Сегодня Tabula сконцентрировала усилия на производстве чипов для специальных целей. Такие чипы - настоящие «рабочие лошадки» нашего времени. Они находят применение, например, в беспроводных маршрутизаторах или оборудовании для вышек сотовой связи.
В дальнейших планах Tabula - наладить производство чипов для популярных электронных устройств - цифровых камер, игровых консолей, а быть может даже и для полноценных компьютеров. Текущий 8-слойный дизайн чипов уже запущен в массовое производство, и сейчас Tabula работает над созданием 12-слойной версии с перспективой увеличения количества слоев до 20.
«Не существует ограничения на количество слоев, которые мы могли бы интегрировать», — отметил Тиг.
От сажи к схемам: графены
На протяжении последних 45 лет количество транзисторов в кремниевых процессорах компьютеров удваивалось каждые два года, доказав, что закон Мура работает так же надежно, как и закон тяготения. По мере того, как активные элементы чипов становились все меньше и дешевле для производства, в конечные устройства их можно было «втиснуть» во все возрастающих количествах, что в свою очередь увеличивало сложность, возможности и… энергопотребление электроники.
Но на самом деле такой путь оказался тупиковым. Ученые пытались поместить в кремниевый чип еще больше транзисторов, но примерно с размеров в 14 нм начались трудности с дальнейшей миниатюризацией элементов. 14 нм - это размер двух молекул гемоглобина в нашей крови или около одной тысячной размера гранулы тальковой пудры.
Вещество под названием графен вдохнуло новую жизнь в закон Мура, доказанный кремниевыми технологиями. Графен представляет собой слой атомов углерода, выстроенных в виде шестиугольных ячеек. Толщина такого слоя - 1 атом. Под электронным микроскопом графен очень похож на соты.
.jpg)
«Он не только странно выглядит, но и обладает необычными свойствами, — говорит Вольт де Гир (Walt de Heer) заведующий нанолабораторией Технологического института Джорджии. - Графен - уникальный материал будущего. Он скоростной, потребляющий мало энергии и из него можно делать самые миниатюрные элементы. Его возможности превосходят кремний, он делает то, что не под силу кремнию. Именно за ним будущее электроники».
Исследователи в области полупроводников экспериментировали с графеном еще с 70-х годов прошлого века. Но до недавнего времени им не удавалось создать ультратонкие слои графеновых шестиугольников. Ученые из Манчестерского университета Андре Гейм (Andre Geim) и Константин Новоселов успешно создали первые графеновые слои в 2004 году (за это и другие достижения в исследовании графенов в 2010 году они были удостоены Нобелевской премии). После этого графеновые технологии начали быстро развиваться.
В начале 2011 года группа де Гира создала графеновые провода - первый большой шаг на пути к созданию микрочипов. Толщины провода около 10 нм удалось добиться путем эпитаксии - наращивания чистого графена на кремниевой основе. (Эпитаксия - процесс наращивания тонкого слоя кристалла на подложке из другого кристалла (субстрате), так что наращиваемый слой повторяет структуру субстрата).
В конце концов, ученым удалось получить электронные структуры, имеющие толщину 1 нм и намного более скоростные, чем кремний. По прогнозам ученых, использование графенов позволит создать процессоры с частотой, измеряемой в терагерцах - это в 20 раз быстрее, чем быстродействие современным кремниевых процессоров.
В следующем году ученые Технологического института Джорджии надеются завершить создание прототипа чипа со встроенным графеном и протестировать возможности использования уникальных свойств этого материала для создания микросхем.
Ученые из IBM создали экспериментальные транзисторы и интегральные схемы на основе графенов, используя стандартные технологии производства полупроводников. По их словам - это можно считать первым шагом на пути к использованию графенов в промышленных масштабах.
«Эта область имеет огромный потенциал, — говорит директор департамента физических наук IBM Супратик Гуха. - Графены найдут применение в военной промышленности и в беспроводных технологиях, кроме того, их можно будет интегрировать с кремнием. Сегодня нужно хорошо потрудиться, чтобы продемонстрировать возможности создания схем усилителей с интегрированными в них высококачественными активными элементами из графена».
По прогнозам, первые продукты, использующие графены, появятся в 2013 году. Поэтому ожидать появления в ближайшее время супер-скоростных ноутбуков с графеновыми процессорами пока преждевременно. Если такая техника и появится, она будет слишком дорогой и сможет найти применение лишь в тех областях, где цена не имеет значения по сравнению с высокими скоростями и низким энергопотреблением.
Также и привычные нам интегральные схемы когда-то были «дорогим удовольствием» и применялись лишь в военной промышленности и для других особых целей. История в этой области такова, что многие вещи являются в мир дорогими и недоступными, а затем становятся дешевыми и общераспространенными. Графены имеют огромный потенциал, предполагается, что они могут стать общедоступными уже в ближайшие 10 лет.
Печатные схемы: бюджетные чипы
Стандартная технология производства полупроводников включает целый ряд сложных этапов, которые проводятся в абсолютно чистом помещении, где нет разрушительной для электроники пыли и загрязняющих веществ. Компания Xerox применяет более простой и дешевый способ производства электроники путем печати схем на пластиковой основе. Технологический процесс подразумевает использование оборудования, которое может стоить тысячи долларов, но не миллиарды, необходимые для развертывания традиционного завода для производства процессоров.
.jpg)
«Обычные электронные элементы - быстрые, маленькие и дорогие, — говорит Дженифер Эрнст (Jennifer Ernst), бывший директор по развитию бизнеса лаборатории Xerox PARC в Пало-Альто, Калифорния. - Печатая их непосредственно на пластик, PARC делает электронные элементы медленными, большими и дешевыми».
Технологический процесс печатания схем, разработанный PARC, требует немногим больших усилий, чем, например, распечатка обычной картинки. Все, что для этого нужно - специальные материалы, вроде серебряных чернил, а сама схема наносится на гибкие полиэтиленовые пластины, а не на хрупкий кремний. В принципе, конечный продукт даже сложно назвать чипом.
Адаптация различных технологий печати, включая впрыскивание чернил, штамповку и трафаретную печать, PARC производит усилители, батареи и переключатели намного менее дорогие, чем произведенные традиционным способом. А недавно компании удалось наладить производство 20-разрядной памяти и контроллеров, которые появятся в продаже уже в следующем году.
Другой интересный проект на основе печатных схем - детектор взрывов, который PARC разработала для Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США (U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA). Гибкие печатные схемы встраиваются в военные каски, где новые сенсоры измеряют давление, мощность звука, ускорение и освещенность в условиях боевых действий.
Проведя неделю на передовой, солдат возвращается и сдает каску в специальную лабораторию, где полученные данные тщательно анализируются, и врачи делают вывод о возможности наличия травм головного мозга. Такие датчики хорошо выполняют свою работу, а стоят менее $1 по сравнению с $7, в которые обходится один традиционный сенсор.
Конечно же, печатные схемы и близко не способны конкурировать с кремнием, когда речь идет о быстродействии или возможности «упаковать» в малый объем миллиарды транзисторов. Но существует много областей применения, где стоимость гораздо важнее быстродействия. А в начале 2012 года печатные схемы начнут применять в игрушках и электронных играх, требующих простейшей обработки данных - например, синтезаторах речи, а также для управления подушками безопасности в автомобилях.
.jpg)
А уже к 2015 году печатные схемы можно будет найти и в других электронных продуктах - гибких ридерах электронных книг, которые можно будет сворачивать в трубочку наподобие бумажных журналов или для производства одежды из специальных тканей с солнечными элементами, с помощью которой можно будет подзаряжать мобильный телефон или музыкальный плеер.
По прогнозам аналитической фирмы IDTechEx, объемы продаж гибких печатных схем возрастут с $1 млрд в 2010 до $45 млрд в 2016 году. Они найдут применение в широком спектре устройств.
