Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Фостер Линн

Именно такие потери энтропии и приводят нас к представлению о знаменитых Iog2 и других постоянных, типа использованной мною к (напомню, что это постоянная Больцмана). Такие постоянные возникают каждый раз, когда вы пытаетесь с максимальной скоростью «пропустить» электрон с заданной энергии вдоль некоторой цепочки узлов. Предположим, что за некоторое достаточное время нам удалось обеспечить прохождение электрона вдоль цепочки. Обозначим среднюю скорость движения электрона при этом через νD. Введением нижнего

индекса D я специально подчеркиваю, что эта скорость соответствует прохождению или дрейфу, а не скорости теплового движения, которое включает в себя и все смещения взад-вперед по пути следования. Поэтому характеристикой движения электрона в любой вычислительной машине выступает, конечно, эта дрейфовая скорость (а не тепловая vT, которая включает в себя «колебания» взад-вперед вдоль цепочки атомов). Потери энтропии, которые происходят при пропускании электрона со 100 %-ным рассеянием, определяются отношением реальной скорости движения электрона вдоль цепи к теоретически возможной, тепловой скорости. (Фейнман выписывает на доске коэффициент k = vD/vT.)

Перемещая электроны в проводнике, вы преодолеваете сопротивление. Потери энергии на создание электрического тока составляют порядка kT на каждом препятствии (но не на этапе вычисления), поэтому, действуя достаточно медленно, вы могли бы провести вычисления с минимальными потерями энергии, но тогда скорость вычислений будете весьма небольшой. Проблема тепловыделения компьютеров является очень важной в практическом отношении, и ее решением должно (или может?) стать проектирование и создание компьютеров с обратимыми логическими схемами.

Возможности совершенствования современных компьютеров очень велики (выше я говорил о том, что мы тратим в 1010 раз больше энергии, чем это требуется теоретически!), так что я могу лишь призвать разработчиков начать следующий этап развития, который позволит обеспечить экспоненциальный рост скорости и эффективности.

Благодарю за внимание!

Акронимы и аббревиатуры

AFM – atomic force microscopy

AI – artificial intelligence

ANSI – American National Standards Institute

CMOS – complementary metal oxide semiconductor

CMP – chemical mechanical planarization or chemical mechanical polishing

CNTs – carbon nanotubes

CPSC – Consumer Products Safety Commission

CRADA – Cooperative Research and Development Agreement

CVD – chemical vapor deposition

DoD – Department of Defense

DOE – Department of Energy

DPN – dip-pen nanolithography

DRAM – dynamic random access memory

IBEA – Institute for Biological Energy Alternatives

IDD – implantable drug delivery

LEDs – light-emitting diodes

MEMS – microelectromechanical systems

MMS – molecular microswitch

MOSFET – metal oxide semiconductor field effect transistor

MRI – magnetic resonance imaging

MURI – Multi-University Research Initiative

NASA – National Aeronautics and Space Administration

NBIC – nano-bio-info-cogno

NBs – nanobelts

NCN – Network for Computational Nanotechnology

NDA – nondisclosure agreement

NDC – negative differential conductance

NEMS – nanoelectromechanical systems

NER – Nanoscale Exploratory Research

NIEHS – National Institute of Environmental Health Studies

NIH – National Institutes of Health

NIL – nanoimprint lithography

NIOSH – National Institute for Occupational Safety and Health

NIRTs – Nanoscale Interdisciplinary Research Teams

NIST – National Institute of Standards and Technology

NNCO – National Nanotechnology Coordination Office

NNI – National Nanotechnology Initiative

NNIN – National Nanotechnology Infrastructure Network

NNUN – National Nanofabrication Users Network

NSE – NanoscaleScienceandEngineering

NSECs – NanoscaleScienceandEngineeringCenters

NSEE – NanoscaleScienceandEngineeringEducation

NSET – NanoscaleScience,Engineering and Technology

NSF – National Science Foundation

NSP – Nanotechnology Standards Panel

NSRCs – Nanoscale Science Research Centers

NUE – Nanotechnology Undergraduate Education

NWs – nanowires

OSHA – Occupational Safety and Health Administration

OTT – office of technology transfer

PECVD – plasma-enhanced chemical vapor deposition

ROADMs – reconfigurable optical add/drop multiplexers

SAA – Space Act Agreement

SAM – self-assembling monolayer

SBIR – Small Business Innovation Research

SEM – scanning electron microscopy

SET – single-electron transfer

SOI – silicon on insulator

SPIONs – superparamagnetic iron oxide nanoparticles

SPM – scanning probe microscopy

STM – scanning tunneling microscope