Перспективные технологии записи и хранения информации

С точки зрения новизны и радикальности подходов (а следовательно, и необходимых для реализации материально–экономических ресурсов и затрат времени) можно обозначить три основных направления:

• развитие наноэлектроники путем эволюционного совершенствования существующих «кремниевых» планарных технологий;

• более глубокое модифицирование планарной технологии и распространение ее на другие материалы и ситуации;

• создание принципиально новой электроники следующих поколений на основе «некремниевых» устройств и физических принципов.

Эти революционные идеи предполагают использование квантовых сверхпроводящих компонентов, нанотрубок, фуллеренов и их производных, оптотроники, биоэлектроники, квантового распределенного компьютинга, одноэлектроники, спинтроники и др.

На каждом направлении развития наноэлектроники существует несколько групп предложений различной степени новизны и трудности осуществления. В первую очередь целесообразно представить себе, каковы фундаментальные пределы миниатюризации и чем они обусловлены. Можно выделить три группы принципиальных причин, накладывающих ограничения на дальнейшее уменьшение размеров отдельных элементов в БИС:

• термодинамические;

• электродинамические;

• квантовомеханические.

Первая из них обусловлена конечной температурой объектов, хаотическим тепловым движением атомов и электронов, нагревом вследствие протекания тока (джоулевым тепловыделением и условиями теплоотвода), действием первого и второго начала термодинамики (в частности, стремлением к росту энтропии и потере информации в системе), особенностями обратимых и необратимых процессов в нанообъектах и др.

Электродинамические ограничения вызваны инерционностью емкостей и индуктивностей в схеме, что препятствует быстрому изменению напряжений и токов при переходе от одного состояния к другому (например, при работе логических ключей в микропроцессоре или ячеек динамической памяти). Конечная скорость распространения электромагнитных волн (особенно в присутствии проводников, ферромагнетиков, ферроэлектриков), движения носителей заряда, перемагничивания ферромагнетиков или переполяризации диэлектриков накладывает дополнительные ограничения на быстродействие.

Третья группа причин проявляется при уменьшении характерных размеров объекта R до атомарных масштабов. При этом начинает становиться заметной атомная и электронная дискретность в явлениях переноса, взаимодействия частиц и т.п. Приближение R к длине волны де Бройля для электронов приводит к деформации и дискретизации электронных спектров, изменению электрических, магнитных и оптических свойств вещества. Снижение массы (а следовательно импульса p и энергии Е частицы) приводит к росту неопределенности ее положения (х, у, z) и длительности существования данного состояния (t) в соответствии с принципом неопределнности Гейзенберга: p_х х ≥ и Е t ≥ . Вместе с тем трансформация непрерывных спектров, распределений, состояний, характерных для объемных тел, в дискретные по мере уменьшения R отчасти даже помогает разработке новых принципов в цифровой технике.

Как видно из всего спектра задач и потенциальных возможностей нанотехнологии, применение ее достижений в сфере информационных технологий на интересующем нас направлении систем и средств записи/хранения информации может быть осуществлено в двух направлениях:

а) совершенствование традиционных методов записи/хранения информации вплоть до квантовых границ применимости основных законов, на которых эти системы основаны;

б) разработка принципиально новых фундаментальных принципов и технологических решений устройств обработки и накопления информации.

Рассмотрим основные достижения на первом из этих направлений, имеющие перспективы освоения их массовым серийным производством в ближайшее десятилетие.