Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Фостер Линн

Например, фирма ZettaCore в Денвере приступает к производству молекулярных запоминающих устройств, принцип действия которых напоминает механизм усвоения энергии хлорофиллом. Фирма использует синтетические органические молекулы порфирина, которые на поверхности облучаемой кремниевой пластины способны к самоорганизации, или самосборке. При этом образуются мультипорфириновые наноструктуры, способные окисляться и восстанавливаться (теряя или присоединяя электроны соответственно). Процессы окисления-восстановления являются устойчивыми, воспроизводимыми и обратимыми, что позволяет использовать такие поверхности в качестве надежных сред записи информации в различных электронных устройствах. Более того, такая среда не только может хранить информацию достаточно долго, но и позволяет записать значительно больший объем информации, чем обычные диски, так как благодаря возможным пространственным конфигурациям каждая молекула имеет восемь разных устойчивых состояний.

В будущем технологи планируют создать на этой основе крупные

трехмерные запоминающие устройства с ничтожным энергопотреблением, а сейчас им удается только довести характеристики новых сред до стандартного уровня существующих двухмерных дисков. Наиболее интересным и перспективным для коммерциализации обстоятельством выступает тот факт, что конечный продукт, то есть производимый фирмой ZettaCore чип для запоминающих устройств, внешне ничем не отличается от существующих кремниевых чипов, так что потребитель может даже не догадываться о его сложном внутреннем «нано-устройстве». Новый чип будет обеспечивать большую плотность записи всего устройства в целом, но при этом разъемы, контакты, декодеры, усилители и т. п. будут производиться обычными методами и соответствовать всем существующим стандартам полупроводниковой техники. Лишь на последней технологической стадии поверхность кремниевых кристаллов будет «заливаться» требуемыми молекулами, которые и начнут процессы самосборки на подготовленных участках.

С точки зрения коммерциализации проект сулит безусловные и важные преимущества, поскольку новые устройства могут сразу занять свою «нишу» на рынке, так как они совместимы со всем ранее выпущенным оборудованием. Кроме того, реорганизация производства не будет очень сложной, поскольку в процесс изготовления следует добавить лишь несколько технологических операций, причем на конечных этапах. Последнее условие имеет особое значение, поскольку любое изменение технологии на ранних этапах обработки может оказывать какое-то косвенное воздействие на последующие операции (обычно такие изменения в технологии всегда сопровождаются дополнительными проверками, что, естественно, затягивает процесс внедрения).

Уже накопленный опыт фирмы ZettaCore позволяет предположить, что первых успехов в молекулярной электронике можно ожидать в производстве простых, одномерных структур (например, химических датчиков) или двухмерных самоорганизующихся структур на стандартных кремниевых подложках, таких как чипы для запоминающих устройств, решетки из датчиков, дисплеи, солнечные батареи и т. п.

4.4.6. Проблемы интеллектуальной собственности в разных моделях бизнеса

Сроки коммерциализации любого научного проекта определяются не только техническими трудностями создания конкретного продукта, но и весьма существенно зависят от его стоимости и масштабов производства. Инновационный бизнес очень часто строится на взаимоотношениях разработчика с более крупными фирмами-производителями, успешное сотрудничество с которыми может значительно ускорить продвижение нового товара на рынок. Это обстоятельство, естественно, связано с правами на интеллектуальную собственность.

Степень защиты прав на интеллектуальную собственность в нанотехнологии обычно определяется областью бизнеса, к которой относится инновация, и желаемой степенью защиты. Например, если разработчик желает серьезно защитить патентами состав предлагаемого им нового материала, он может воспользоваться системой патентования и лицензирования, уже существующей в биотехнологии. Создатели устройств молекулярной электроники, например, должны подбирать себе в качестве партнеров (для организации производства, маркетинга и продажи) крупные компании, связанные с полупроводниковой техникой, а биотехнологические лаборатории ищут связи с крупными фармакологическими компаниями (для проведения клинических испытаний, маркетинга, продажи и распространения). В каждом таком случае более крупный и влиятельный партнер несет значительные расходы на этапе подготовки производства и оформления документов (в настоящее время они обычно составляют около 100 миллионов долларов), а инновационная фирма надеется получить прибыль в виде так называемой лицензионной платы (роялти).

Легко заметить, что стоимость сделок с интеллектуальной собственностью сильно зависит от того, к какой области бизнеса относится инновация и насколько защищены в ней права на используемую интеллектуальную собственность. Например, в производстве программного обеспечения ситуация такова, что у любого разработчика очень мало шансов завязать партнерские отношения с фирмой Microsoft и получить от нее лицензионную плату. Производственное партнерство является распространенной практикой в полупроводниковой промышленности, где часто используется модель бизнеса, при которой принято разделять на части общую стоимость продукта. Обычно эта стоимость рассматривается в качестве единого параметра, складывающегося из стоимости отдельных этапов изготовления продукта: концептуализация, проектирование, производство, испытания, упаковка. Разделение стоимости по этапам обусловлено тем, что производство в полупроводниковой промышленности требует больших капитальных затрат. Эта модель иногда очень удобна для малых компаний, желающих быстро организовать производство своих товаров, однако в дальнейшем такие компании могут столкнуться с проблемами обеспечения доступа к рынку, маркетинга, распределения и продажи.

Серьезное

рассмотрение проблем программного обеспечения устройств молекулярной электроники в свете рассматриваемого нами закона Мура приводит нас к необходимости анализа целой последовательности, или «лестницы», абстрактных понятий, связанных с объединением и усложнением систем вообще.

4.5. Системы, программное обеспечение и другие абстракции

В отличие от обычных чипов или интегральных схем (представляющих собой просто упорядоченный набор элементов) использование процессоров и логических схем всегда основано на сложной и многоуровневой системе связи с окружением. Разработчиков логических микросхем постоянно беспокоит не число используемых транзисторов, а проблема правильной компоновки и соединений. Некоторые компании, связанные с разработкой процессоров следующих поколений, даже выработали новый подход к усовершенствованию «кремниевых систем» с распределенными связями, при котором локализуются «зашитые» программы, после чего проектировщики могут повышать качество не за счет монтажа и новых логических вентилей, а используя языки высокого уровня. Введение такой иерархии элементов (и абстрактных понятий) может значительно облегчить работу проектировщиков компьютерной техники.

Интересно рассмотреть следующую проблему, которая на первый взгляд может показаться слишком общей и расплывчатой. Дело в том, что когнитивные (познавательные) возможности человека представляются относительно ограниченными и постоянными, в то время как закон Мура как бы безоговорочно (и даже «безжалостно») диктует непрерывный рост совершенствования. Экспоненциальный рост интеллектуальной мощи человека действительно происходит, но он обеспечивается использованием все более совершенных инструментов и вычислительных устройств. Например, за последние десятилетия человеческий разум добился блестящих успехов в развитии аппаратных средств вычислительной техники. Сейчас дальнейший рост чисто технических возможностей аппаратуры усложняется, и это наводит на мысль, что следующие этапы развития интеллекта могут быть связаны лишь с развитием абстракций в области программного обеспечения (поясню, что слово «абстракция» в данном случае – возможность описания и использования сложной системы без детального знания реальной внутренней структуры). По-видимому, дальнейшее усложнение и повышение характеристик вычислительных систем будет неизбежно связано с развитием так называемых сложно-распределенных систем (иногда упоминается возможность создания «распределенного интеллекта»). Образно говоря, это означает возникновение новых идей и «вдохновения» на основе биологии.

В настоящее время ученые многих стран включились в «гонку», связанную с полным описанием генома человека и расшифровкой протеомы. Конечно, эти исследования имеют огромное значение собственно для медицины (они и начинались с поисков новых методов диагностики и лечения), однако, мне кажется, что они приведут к возникновению множества интересных идей и моделей в программировании и развитии теории сложных систем.

4.5.1. Биологическая муза нанотехнологий

Уже сейчас многие важные задачи программного обеспечения оказываются связанными с развитием и функционированием очень сложных систем, напоминающих биологические, а в некоторых случаях эти задачи имеют прямые биологические аналоги (которые, по-видимому, можно назвать биологическими метафорами). Я перечислю лишь наиболее известные из проблем и конкретных проектов, родство которых с биологией проявляется даже в названиях: «Биомиметика», «Искусственная эволюция», «Генетические алгоритмы», «A-жизнь», «Возникновение» (Emergence), Automatic Computing initiative фирмы IBM, Viral Marketing, Mesh «Сито», Hives «Пчелиные улья», Neural Network «Нейронная сеть», Subsumption architecture в робототехнике и т. п. В известном институте Санта-Фе недавно приступили к реализации исследовательского проекта с символическим названием BioComp.

Иными словами, сейчас биология вдохновляет и направляет информационные технологии (ИТ), которые, в свою очередь, способствуют бурному развитию самой биологии. Связь ИТ с биологией представляется почти очевидной. Предлагаю читателю подумать о следующей проблеме. Генетический код каждого человека представляет собой полную биологическую программу, описывающую рост и работу клеток, органов, тела и мозга. Эта программа вполне может быть записана на компакт-диске CD, причем эта запись займет меньше места, чем программа Microsoft Office. Ничего сложного в этом нет, так как речь идет о цифровой записи текста, закодированного всего четырьмя «буквами», в качестве которых выступают четыре химических основания, входящие в состав ДНК (их обозначают буквами A, B, C и D). Объем всей записи составляет 750 MB и может быть очень сильно сжат из-за наличия в цепочке ДНК «ненужной» информации. Многие ученые убеждены в том, что основную часть генома человека занимают «отходы» эволюционного процесса, то есть большие участки ДНК не имеют практической ценности для жизнедеятельности. Это позволяет снизить объем требуемой информации до 60 MB. Устанавливая недавно офисную программу, я вновь поразился тому, сколь малым количеством информации описывается чудо человеческой жизни. Речь идет, конечно, о биологическом организме, а исключительная сложность нашего поведения объясняется использованием в мозгу нелинейной (так называемой нечеткой) логики с множеством обратных связей через электрические, физические и химические взаимодействия.