КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

В последние годы темпы научно-технического прогресса стали зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров (греческий термин «нанос» означает «гном»; 1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра или, что то же самое, одной миллионной доле миллиметра). Созданные на их основе вещества и объекты размером 1 – 100 нм называют наноматериалами, а способы их производства и применения – нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика.

В самом широком смысле нанотехнологии – это исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом на атомной шкале расстояний[1].

Если заглянуть в далекое прошлое, характер "промышленной" деятельности наших предков можно охарактеризовать размерами используемых инструментов и обрабатываемых изделий. Понятно, что речь идет о предметах достаточно "больших" габаритов, измеряемых в метрах и сантиметрах. Перелом наступил в середине прошлого века: "Франция. Механик Перар устроил поистине замечательный инструмент. С помощью его можно миллиметр, т. е. длину, которую трудно рассмотреть при слабом зрении, разделить на 1500 частей" (журнал "Нива", 1883 г.). Менее чем через сто лет (1959 г.) в своей Нобелевской речи выдающийся физик современности Ричард Фейнман произнес фразу, которая стала основой совершенно нового направления в науке и инженерии: "Принципы физики, с моей точки зрения, не отрицают возможности манипулирования атомами, как предметами" (перевод не дословный). Миниатюризация никогда не была и не есть самоцель -- стремление к ней отражает глубинные законы физики и свойственную человеку тягу к совершенству, и в период активного развития (начавшегося с 60-х годов) полупроводниковой микроминиатюризации о смелом высказывании Фейнмана забыли... Но когда в 1990 г. увидела свет эпохальная статья двух исследователей из лабораторий IBM (Эйглер, Швейцер, журнал "Nature", Vol. 344) под названием "Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа", стало ясно, что пророчество Фейнмана сбылось -- весь мир обошла "нанофотография" удивительной мозаики, образующей (естественно) слово "IBM", "выложенное" отдельными атомами ксенона на поверхности никелевого монокристалла с немыслимой ни в какие времена атомарной точностью. Появившаяся четырьмя годами ранее (1986 г.) и казавшаяся полуфантастической книга Эрика Дрекслера "Двигатели Созидания" (Engines of Creations), в которой впервые была сформулирована идея робота, способного "собирать" из отдельных атомов сложные структуры, в мгновение ока стала культовой [2].

Гениальный фон Нейман в свое время предложил идею "клеточного автомата, способного к воспроизводству" (КАСВ), решая куда более утилитарную задачу - создание облика вычислителя, способного воспроизводить себя. КАСВ по фон Нейману представлял собой комбинацию "универсального компьютера" и "универсального конструктора", выступающих в ролях "мозга" и "рук" соответственно. Программа "универсального компьютера" КАСВ содержала управляющие инструкции для "универсального конструктора" по сборке нового КАСВ. Когда сборочные операции заканчиваются, "универсальный компьютер" выполняет копирование управляющей программы в свое новое "овеществление", и в дальнейшем весь процесс повторяется... Операции конструирования в КАСВ по фон Нейману не были материальными, да и понятия "компьютер" и "конструктор" здесь более соответствуют программам - фоннеймановский КАСВ все-таки абстракция (это двумерный клеточный автомат, ближайшей аналогией которого является бесконечная шахматная доска с расположенными на ней "фишками", "универсальный компьютер" формируется порядком расположения "фишек", а "конструктор" представляет собой управляемую этим порядком "руку", способную переставлять "фишки" из клетки в клетку). Идея и абстрактный характер КАСВ основали новый раздел компьютинга - моделирование искусственной жизни. Также известна знаменитая программа Джона Конвея "Жизнь" (Life), которую по неясным причинам часто относят к разряду игр. На самом деле конвеевская Life и является моделью КАСВ, лишенной "универсального конструктора". Венцом теоретических исследований в области искусственной жизни стали мощные компьютерные вирусы, обладающие способностью к репликации (воспроизводству) -- самый известный из них Internet-червяк Роберта Морриса, и маленькие программы, демонстрирующие простоту реализаций абстрактных самовоспроизводящихся систем, одну из которых автор просто не в силах не привести.

Модифицированную концепцию КАСВ Дрекслер назвал ассемблером (сборщиком). Ассемблер, как и его более абстрактный прототип, состоит из двух основных частей - микрокомпьютера и управляемого манипулятора. Ассемблер - это микроробот (точнее наноробот), обладающим как памятью, хранящей управляющую программу, так и исполнительным механизмом, позволяющим "расставлять" атомы в соответствии с этой программой.

Существуют также деструкторы. Если ассемблеры по Дрекслеру предназначены для созидания, то деструкторы, соответственно, -- для выполнения совершенно противоположных действий. Атомарно-молекулярный "демонтажник" сложных органических соединений представляет собой совершенный инструмент познания в химии и биологии. Увы, даже на уровне концепции деструкторы обладают свойственной ассемблерам слабостью - неформализованным механизмом передачи информации.

Все эти замечательные логические и теоретические построения в сегодняшней реальности существуют только на бумаге и в компьютерных моделях. Однако маленькие, но значимые шаги в развитии нанотехнологии совершаются достаточно часто. Одним из самых важных событий после успешного позиционирования отдельных атомов стал блестящий эксперимент, проведенный исследовательским центром в Цюрихе все той же корпорации IBM. В 1996 г. в журнале "Science" (Vol. 271) была опубликована статья об удачном позиционировании отдельных молекул с помощью сканирующего туннельного микроскопа при комнатной температуре, и это несмотря на естественный хаос, порождаемый тепловым движением. Страсти на "нанофронте" накалились до предела - открывающаяся перспектива вызвала настоящую "нанолихорадку". Как грибы после дождя стали появляться самые разнообразные проекты - от очень впечатляющих программно-аппаратных комплексов, позволяющих в виртуальной реальности манипулировать реальными атомами, до единых форматов представления "нанотехнологической" информации и даже специализированные программы компьютерного проектирования (CAD) "наноустройств". Однако с 1996 г. практически никаких "взрывов" на "нанофронте" не слышно - разве что появился ряд компаний, ставящих перед собой весьма амбициозные цели (например, создание реального ассемблера).

"Нанотехнологическая" гонка оказалась замечательным стимулятором развития для существующих компьютерных систем. Например, действующий в университете Северной Каролины наноманипулятор гибрид сканирующего туннельного микроскопа и системы виртуальной реальности. Растущие требования исследователей вызывают все новые разработки в самых неожиданных областях (например, в области разработки новых геометрических алгоритмов, позволяющих моделировать тела произвольной формы) [3].

Ожидаемые нанотехнологические компьютеры будут массово-параллельными, с потенциально ненадежными отдельными элементами.

Литература:

1. Андриевский Р.А. Нанотехнологии// Перспективные материалы. 2001. №6.

2. Валиев К.А., Кокин А.А. От кванта к квантовым компьютерам // Природа. 2002. №12.

3. Зубинский А.В. Нанотехнология – овеществление вычислений или программируемая материя //Компьютерное обозрение. 2009. №9.