Сверхпроводимость
Р’ 1908 РіРѕРґСѓ Хейке Керлинг Оннесу[1] удалось ожижить последний инертный газ – гелий. Ожижение гелия открыло для экспериментов РЅРѕРІСѓСЋ область температур вблизи абсолютного нуля. Камерлинг Оннес провел РІ 1911 РіРѕРґСѓ опыт СЃ предельно очищенной ртутью. Результаты этих опытов оказались неожиданными: РїСЂРё температуре Tk=4.2 Рљ электрическое сопротивление ртути R падало РґРѕ нуля (СЂРёСЃ. 7.2). Рто явление получило название сверхпроводимости. Температура Tc, РїСЂРё которой РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ переход РІ сверхпроводящее состояние, называется критической температурой перехода.
Классическая физика РЅРµ смогла объяснить РЅРѕРІРѕРµ явление. Рљ 1930 РіРѕРґСѓ стало очевидно, что сверхпроводимость должна быть квантовым эффектом. Речь идет Рѕ том, что электроны РІ металле РјРѕР¶РЅРѕ описывать Рё как частицы, Рё как волны. РџСЂРё этом для каждой волны характерно дифференциальное уравнение Шредингера.
В металлах электроны взаимодействуют с атомами кристаллической решетки. Атомы в кристаллической решетке обычно расположены периодически. Таким образом, электрон находится в периодическом потенциале, причем потенциальная энергия вблизи атомных остовов несколько ниже, чем в пространстве между ними.
РРёСЃСѓРЅРѕРє 7.2 – Сверхпроводимость ртути
При объяснении явления сверхпроводимости мы должны рассматривать совокупность электронов, а значит, учитывать взаимодействие между ними. Очевидно, что новое состояние металла обусловлено каким-то особым видом взаимодействия. Для понимания сверхпроводимости необходимо найти этот вид взаимодействия. Только затем можно создать теорию, объясняющую новое явление.
Р’ 1950–1951 годах независимо РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР° Р“. Фрелих Рё Дж. Бардин предложили идею взаимодействия электронов через колебания решетки. РСЃС…РѕРґСЏ РёР· этого взаимодействия РІ 1957 РіРѕРґСѓ Дж. Бардин, Р›. Купер Рё Дж. Шриффер создали атомистическую теорию сверхпроводимости (теория БКШ). Отметим, что теория сверхпроводимости независимо РѕС‚ РЅРёС… построена СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёРј ученым Рќ.Рљ. Боголюбовым.
Но как представить себе это межэлектродное взаимодействие, осуществляемое через колебания решетки?
Рассмотрим сначала статическую модель. Кристаллическая решетка обладает СѓРїСЂСѓРіРёРјРё свойствами, то есть атомы привязаны Рє СЃРІРѕРёРј равновесным положениям РЅРµ жестко, Р° РјРѕРіСѓС‚ отклоняться РѕС‚ РЅРёС…. Поместим РІ решетку РґРІР° электрона. Р’ непосредственной близости РѕС‚ электрона произойдет некоторое притяжение положительных зарядов (РіРѕРІРѕСЂСЏС‚, что РїРѕРґ действием электрона решетка поляризуется). Второй электрон испытывает притяжение Рє месту поляризации, Р° следовательно, Рє первому электрону.
Но электроны в металле обладают значительными скоростями, то есть поляризация решетки не является статической. Один электрон, двигаясь по решетке, поляризует её. Второй электрон движется за ним по «поляризованному следу» с пониженной энергией, так как решетка уже поляризована.
Л. Купер показал, что такие два электрона можно рассматривать как одну частицу с нулевым импульсом и спинном. Новая частица является бозоном и называется куперовской парой.
Явление сверхпроводимости. Р’ квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами) связывается СЃ возникновением элементарных возбуждений кристаллической решетки. Рлектрон, движущийся РІ кристалле Рё взаимодействующий СЃ РґСЂСѓРіРёРј электроном посредством решетки, переводит ее РІ возбужденное состояние. РџСЂРё переходе решетки РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРµ состояние излучается квант энергии Р·РІСѓРєРѕРІРѕР№ частоты – фотон, который поглощается РґСЂСѓРіРёРј электроном. Притяжение между электронами РјРѕР¶РЅРѕ представить как обмен электронов фононами, причем притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны (куперовские пары).
Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением, образующим пары, то вещество (металл или сплав) остается по своим электрическим свойствам нормальным. Если же при температуре Tc происходит преобладание сил притяжения над силами отталкивания, то вещество переходит в сверхпроводящее состояние.
Важнейшей особенностью связанного РІ пары коллектива электронов РІ сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами Рё решеткой малыми порциями, меньшими, чем энергия СЃРІСЏР·Рё пары электронов. Рто означает, что РїСЂРё соударении электронов СЃ узлами кристаллической решетки РЅРµ изменяется энергия электронов Рё вещество ведет себя как сверхпроводник СЃ нулевым удельным сопротивлением. Квантовомеханическое рассмотрение показывает, что РїСЂРё этом РЅРµ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ рассеяния электронных волн РЅР° тепловых колебаниях решетки или примесях. Рђ это Рё означает отсутствие электрического сопротивления.
Высокотемпературная сверхпроводимость (Р’РўРЎРџ). Академик Р’.Р›. Гинзбург ещё РІ начале 1950-С… Рі.Рі. неоднократно высказывался Рѕ возможности сверхпроводимости РїСЂРё температурах, повышающих гелиевые. Ещё РІ 1977 РіРѕРґСѓ выпустил тематический СЃР±РѕСЂРЅРёРє РїРѕ проблеме Р’РўРЎРџ. Р—Р° эти работы ему была присуждена РІ 2003 РіРѕРґСѓ Нобелевская премия. Р’ конце 1986 РіРѕРґР° Р. Георг Беднорц Рё Рљ. Александр Мюллер открыли сверхпроводимость РІ керамических материалах РїСЂРё температурах выше температуры Р¶РёРґРєРѕРіРѕ азота (77°К). Р—Р° это открытие РѕРЅРё РІ 1987 РіРѕРґСѓ были премированы Нобелевской премией. Начался настоящий Р±СѓРј РІ области Р’РўРЎРџ. РќРѕ СЃРєРѕСЂРѕ стало понятно, что проблема Р’РўРЎРџ является той крепостью, которой РјРѕР¶РЅРѕ овладеть только методической, планомерной осадой, РЅРѕ РЅРµ штурмом.
В мае 1989 года в американском журнале «Science» была опубликована статья под заголовком «Сверхпроводимость: окончен бал?». Сразу поступило письмо трех руководителей исследовательских подразделений «Noval Research Labor» с утверждением, что «бал не окончен», а только ещё начался и «свечи не погасли». Последующие годы доказали, что сдержанный оптимизм оправдан.
Огромный интерес к ВТСП обусловлен рядом существенных причин. Во-первых, жидкий гелий относительно дорог, и поэтому, как правило, в местах работы с ним приходится использовать системы сбора испаряющегося гелия. Во-вторых, сосуды Дюара для хранения жидкого гелия сложны и дороги. Вспомним, что у жидкого гелия есть сверхтекучая фракция, поэтому приходится обеспечивать непроницаемость внутренних стенок сосуда. Приходится также использовать внешнюю «рубашку» с жидким азотом. В-третьих, у жидкого гелия низкая теплоемкость, что приводит к сравнительно быстрому испарению гелия и к необходимости частой «дозаливки». Жидкий азот почти в 200 раз дешевле жидкого гелия, его теплоемкость более чем в 50 раз выше (!), резко упрощается проблема его хранения, создания замкнутых систем и систем охлаждения. Даже это неполное сравнение двух газов позволяет судить, насколько привлекательна возможность перехода от жидкого гелия к жидкому азоту.
Поэтому работы по ВТСП продолжаются и уже получены серьезные практические результаты.
Но до сих пор ещё не решены проблемы создания проводов и катушек из ВТСП материалов.
В электронике сверхпроводимость позволяет устранить сразу две внешних проблемы:
1) практически устранить потери в межсоединениях;
2) резко снизить уровень тепловых шумов.
Очевидно, что сочетание этих факторов принципиально позволяет многократно увеличивать уровень интеграции элементов в единице объема, снизить энергопотребление и увеличить быстродействие и чувствительность. Последующие исследования сверхпроводимости ведут к поистине революционным открытиям.
7.4 Функциональная электроника
В основе функциональной электроники лежит принцип физической интеграции, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объёму твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, так что промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной схемы не требуется. Основной чертой физической интеграции является отсутствие или значительное снижение удельного веса схемотехники и использование динамических неоднородностей для выполнения определенных функций.
Сама идея использования сочетания возможностей различных физических явлений СЃ целью увеличения фундаментальных возможностей всего звена весьма прозрачна Рё оправдана РїРѕ РјРЅРѕРіРёРј причинам. Основная – это возможность решения задач РІ РЅРѕРІРѕР№ парадигме СЃ широким использованием параллельной обработки информации Рё многократным повышением скорости обработки. Р’ РїРѕСЂСЏРґРєРµ пояснения сказанного рассмотрим только РґРІРµ задачи. Жизнеспособность современного боевого самолета напрямую зависит РѕС‚ того, насколько его авионика позволит быстро определить параметры сигнала облучения, синтезирует его Рё осуществит необходимое радиопротиводействие противнику. Временные затраты должны быть минимальны, Р° следовательно, большие массивы информации должны обрабатываться параллельно. Схема относительно простого анализатора спектра, выполненного РїРѕ принципам Р¤Р, приведена РЅР° СЂРёСЃСѓРЅРєРµ 7.3.
РРёСЃСѓРЅРѕРє 7.3 – Схема анализатора спектра СЃ DMD-РїСЂРёР±РѕСЂРѕРј:
1 – луч Не-Ne лазера; 2, 4 – цилиндрические линзы; 3– ячейка Брэгга;
5, 9 – сферические линзы; 6 – расщепитель луча; 7 – DMD-прибор;
8 – диафрагма; 10 – ПЗС-камера
В ячейке Брэгга ультразвук осуществляет модуляцию светового потока лазера. Ячейка выполнена на кристалле ниобата лития.
Центральная частота ячейки 1 ГГц, ширина полосы пропускания 500 МГц. Акустическая скорость сигнала в ячейке 6570 м/с.
Коллимированный луч Не-Ne лазера (λ = 630 мм) с круговым поперечным сечением фокусируется цилиндрической линзой 1 в центре ячейки Брэгга и снова преобразуется в луч с таким же поперечным сечением цилиндрической линзой 4. Световой луч, возникающий в результате дифракции на акустической волне, возбуждаемой анализируемым сигналом в ячейке Брэгга, фокусируется сферической линзой 5 на зеркальном элементе DMD-прибора, местоположение которого определяется частотой анализируемого сигнала.
DMD-модулятор (Deformable Mirror Device) содержит линейную матрицу РёР· 1200 отклоняемых микроскопических зеркал, которые РјРѕРіСѓС‚ изменять направление падающих РЅР° РЅРёС… световых лучей или вводить РІ световую волну фазовую задержку. Рзменение наклона отдельного зеркала может производиться электрическим или оптическим сигналом. Размер РѕРґРЅРѕРіРѕ зеркального элемента 13Г—13 РјРєРј, расстояние между центрами элементов 25,4 РјРєРј, СѓРіРѕР» отклонения – около 4,5В°. Р’ процессе изготовления РїСЂРёР±РѕСЂР° используется то Р¶Рµ стандартное оборудование, что Рё для производства полупроводниковых РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ. Рто позволяет объединить его СЃРѕ схемой адресации РЅР° РѕРґРЅРѕРј кристалле. Фокусное расстояние линзы 5 составляет 175 РјРј.
DMD-прибор и оптические элементы расположены так, что они перехватывают свет, отраженный отклоненными зеркальными элементами, и блокируют свет, отраженный неотклоненными элементами. Световой луч, попадающий на сферическую линзу 9, проецируется на рабочую поверхность ПЗС-камеры 10, содержащей матрицу из 764*244 элементов разрешения.
Ркспериментальные исследования макета анализатора спектра СЃ DMD-РїСЂРёР±РѕСЂРѕРј показали, что РІ нем РІРѕР·РјРѕР¶РЅРѕ получение коэффициента контраста РґРѕ 125:1 Рё динамический диапазон РґРѕ 50 РґР‘.
РќРѕ вернемся Рє концептуальным вопросам. Человечество стоит перед задачей быстрой переработки больших объемов информации, особенно РІ области интеллектуальных исследований (РР).
Принцип работы современных компьютеров – алгоритмическая обработка символьных выражений, информации, представленной РІ двоичном РІРёРґРµ. Рў.Рѕ. компьютер – это логическая сеть, использующая РІ принципе только элементы В«Р, РР›Р, НЕ». Ее реализацию РІ РІРёРґРµ твердотельной электроники СѓР¶Рµ нельзя считать удовлетворительной.
Физические пределы в развитии приборов и устройств схемотехнической микроэлектроники достигнут своих критических значений в первом – втором десятилетии 21-го века.
К этому времени ожидается появление интегральных схем с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, выполненных с помощью литографических установок неоптического экспонирования.
После достижения технологической зрелости будет достигнут физический предел значений степени интеграции Рё ожидается инерционное развитие рынков РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ схемотехнической микроэлектроники ещё РІ течение 5–10 лет. Рљ этому времени быстродействие интегральных схем (РРЎ) будет СѓР¶Рµ недостаточным для решения задач обработки больших массивов информации РїРѕ нескольким причинам.
Предельные показатели достижений микроэлектроники уже не смогут соответствовать набирающему силу научно-техническому прогрессу. Уже сейчас существует целый ряд задач, ждущих своего решения. Среди них – создание систем оперативного распознавания образов, искусственного интеллекта, синтеза конструкций и систем, разработка устройств параллельной обработки информации, устройств управления базой знаний и т.п.
РРґСѓС‚ интенсивные РїРѕРёСЃРєРё методов, разрабатываются устройства, предназначенные для обработки больших массивов информации РІ реальном масштабе времени. Анализ схем цифровой обработки изображений показывает, например, что СЂРѕСЃС‚ РёС… быстродействия приближается Рє насыщению. РџСЂРё этом СЂСЏРґ упомянутых задач принципиально РЅРµ может быть решён РІ рамках современных методов обработки больших информационных массивов, РІ частности, фон-неймановской схемы построения вычислительных систем.
Даже достигнув предельных значений быстродействия и степени интеграции в изделиях схемотехнической микроэлектроники, нельзя будет на их основе создать устройства, способные решать перспективные задачи обработки больших информационных массивов.
В этом случае возникает альтернатива: или искать пути сохранения тенденции экспоненциального роста степени интеграции интегральных схем и тем самым расширить возможности схемотехнической микроэлектроники, или искать принципиально новый подход при создании систем обработки больших информационных массивов.
По мере того, как первый путь при приложении возрастающих усилий будет давать все меньшие результаты, второй становится все более перспективным. Кстати, этому способствуют и принципиальные моменты.
Очевидно, что традиционную компьютерную парадигму РР, РїСЂРё всех ее достоинствах, связанных РІ первую очередь СЃ символьным представлением данных Рё СЃ предположением Рѕ возможности формализации (получении достаточно эффективного алгоритма для РР’Рњ) мыслительной деятельности, нельзя считать удовлетворительной РїРѕ следующим основным причинам:
1. Некоторые виды интеллектуальной деятельности совсем или почти не поддаются алгоритмизации (творческие акты, озарения, интуитивные решения, экспертные оценки качества, узнавание и распознавание). Характерная особенность этих процессов – их невоспроизводимость и невербальность, иначе говоря, невозможность их объективировать, т.е. дать описание, с помощью которого процесс можно повторить, передать другому.
2. Рзвестно, что сигнал РІ нервных сетях распространяется РІ миллионы раз медленнее (его скорость – РїРѕСЂСЏРґРєР° 100 Рј/СЃ), чем РІ электронных схемах, однако качество результата Рё время его получения существенно лучше машинных. Рто свидетельствует Рѕ гораздо более эффективной работе РјРѕР·РіР° РїРѕ сравнению СЃ любыми дискретными устройствами.
3 Мощность любого дискретного устройства имеет теоретический предел – предел Бремерманна, определяемого из физических законов (законов квантовой механики).
4. Доказано, что многие задачи, особенно творческого характера, решаются человеком благодаря так называемой функциональной асимметрии полушарий головного мозга. Согласно функциональной асимметрии полушарий мозга информационные процессы правого полушария (неалгоритмизуемые) имеют другую нейрофизиологическую природу, отличную от левополушарных, связанных с логико-алгоритмической составляющей нашего мышления.
Функциональная электроника начала развиваться сравнительно недавно и имеет огромные перспективы, обусловленные в частности параллельностью доступа и сверхвысоким быстродействием (1015 оп./сек).
Основные направления Р¤Р
1. Устройства на основе ПЗС(прибора с зарядовой связью). Прибор ПЗС функционально подобен сдвиговым регистрам.
2. Устройства на основе ЦМД (цилиндрические магнитные домены). ЦМД дают возможность создавать устройства большой функциональной гибкости с исключительно высокими параметрами. При этой функции логики, запоминания и коммутации реализуются без нарушения однородности структуры материала носителя, позволяя сочетать параллельные и последовательные коды, логику и память системы.
3. Устройства на основе ПАВ (поверхностные акустические волны). ПАВ могут быть использованы в устройствах запоминания и хранения сигнальной информации.
4. Устройства на основе спиновых волн. В основе данных устройств лежит волновой процесс ориентации спиновых магнитных моментов электронов, ответственных за ферромагнитные свойства вещества. Функционально ПАВ и спиновые волны равноценны, но последние могут быть использованы на более высоких частотах (1–20 ГГц).
5. Устройства РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ РЇРњР (ядерный магнитный резонанс). Действие этих устройств основано РЅР° использовании метода СЃРїРёРЅРѕРІРѕРіРѕ СЌС…Р° – импульсного метода наблюдения РЇРњР. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ СЌС…Р° реализуются системы памяти Рё спектральной обработки сигналов.
6. Устройства на основе голографического принципа хранения и обработки информации.
7. Устройства на основе криоэлектроники.
8. Белковая биологическая память. РћРЅР° основана РЅР° применении методов биотехнологии для СЃР±РѕСЂРєРё схем, построенных РёР· молекулярных электронных РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ. Р’ молекулярных (Р±РёРѕ-) РР’Рњ предполагается РІ качестве активных переключательных элементов использовать молекулы. Вместо традиционных материалов (кремний, арсенид галлия, Рё РґСЂ.) используются органические молекулы, РІ том числе специально сконструированные белки, обладающие свойством бистабильности, С‚.Рµ. способности сколь СѓРіРѕРґРЅРѕ долго находиться РІ РѕРґРЅРѕРј РёР· РґРІСѓС… устойчивых состояний.
В9. Самоорганизующиеся среды. Основаны РЅР° неоднородностях, которые возникают Рё взаимодействуют РЅРµ РїРѕ заданному плану, Р° вследствие явления самоорганизации. Рспользование самоорганизации позволяет создать функциональные устройства, действия которых основаны РЅР° закономерностях кооперативного поведения элементов системы. Такая среда обладает СЂСЏРґРѕРј замечательных качеств:
· уникальная адаптивность;
· возможность физического моделирования интеллектуальных функций;
· распределенность и ассоциативность памяти.
10. Устройства РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ фазовых переходов. Реализация этой идеи связана СЃ созданием многослойных структур СЃ соприкасающимися распределенными средами разной РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Возникает, таким образом, необходимость изучения процессов взаимодействия динамических неоднородностей разной РїСЂРёСЂРѕРґС‹, которые РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ вблизи границы раздела РґРІСѓС… сред, представляющей СЃРѕР±РѕР№ РІ общем случае гетеропереход.
Следует помнить и о возможностях многочисленных комбинаций устройств различного типа.
Ртак:
· есть микроэлектроника, или электроника статических неоднородностей. В этом случае устройства обработки и хранения информации реализуются на определённых схемотехнических решениях;
В· есть функциональная электроника (Р¤Р).
Еще в конце семидесятых годов возникла идея использовать динамические неоднородности в процессах обработки и хранения информации, а также физические принципы интеграции не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых микроэлектронным прибором. Вследствие ее перспективности есть смысл более подробного изложения.
Рзучение свойств Рё характеристик динамических неоднородностей как носителей информационного сигнала, основных физических процессов Рё принципов обработки Рё хранения информационных массивов СЃ помощью динамических неоднородностей, разработка РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ Рё устройств, являются основополагающими РІ процессе формирования РЅРѕРІРѕРіРѕ направления РІ микроэлектронике – функциональной электроники.
РџСЂРё интеграции РЅР° РѕРґРЅРѕРј кристалле РЅРµ только элементов, РЅРѕ Рё физических явлений Рё эффектов увеличиваются функциональные возможности РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ Рё устройств интегральной электроники. РџСЂРё этом используются СѓР¶Рµ РЅРµ только схемотехнические решения для обработки Рё хранения информации, РЅРѕ Рё физические носители информационного сигнала – динамические неоднородности различной физической РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Рто ещё РѕРґРЅР° особенность функциональной электроники.
Следует ещё раз подчеркнуть, что если с переходом в субмикронный диапазон размеров в наноэлектронике утрачивается принцип групповой технологии производства элементарных электронных приборов, то в функциональной электронике – сохраняется групповая технология.
Рменно идея использования динамической неоднородности РІ качестве носителя информации привела Рє появлению альтернативного пути – Рє функциональной электронике.
Динамическая неоднородность представляет собой локальный объём на поверхности или внутри среды с отличными от её окружения свойствами, которая не имеет внутри себя статических неоднородностей и генерируется в результате определённых физико-химических процессов. Динамическая неоднородность может быть локализирована или перемещаться по рабочему объёму континуальной среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями такой же или другой физической природы. В процессе перемещения динамической неоднородности может осуществляться, например, перенос информации. Деградация динамической неоднородности не приводит, как правило, к потерям или сбоям в процессах обработки информации.
Рзвестно большое количество динамических неоднородностей различной физической РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Рто ансамбли заряженных частиц Рё квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны Рё С‚.Рї.), домены (электрические домены, домены Ганна, цилиндрические магнитные домены Рё С‚.Рї.), динамические неоднородности волновой РїСЂРёСЂРѕРґС‹ (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны). Рдея использования динамических неоднородностей РІ приборах обработки Рё хранения информации является основополагающей, её развитие привело Рє становлению функциональной электроники. Рто несхемотехническое направление РІ микроэлектронике, использующее РІ качестве носителей информации динамические неоднородности, РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ тенденцией развития которого является интеграция функциональных возможностей РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ Рё устройств.
Таким образом, функциональная электроника представляет собой область интегральной электроники, в которой изучается возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средах в совокупности с физическими полями, а также создаются приборы и устройства на основе динамических неоднородностей для обработки, генерации и хранения информации.
Р’ зависимости РѕС‚ типа используемой динамической неоднородности, континуальной среды, той или РёРЅРѕР№ комбинации физических полей или явлений различают направления РІ функциональной электронике, например, функциональная акустоэлектроника, функциональная магнитоэлектроника, функциональная оптоэлектроника, функциональная диэлектрическая электроника, молекулярная электроника Рё С‚.Рї. Объединяющим РёС… признаком является динамическая неоднородность, выступающая как носитель, транслятор или хранитель информации. Например, традиционная полупроводниковая схемотехническая электроника отличается РѕС‚ полупроводниковой функциональной электроники носителем информационного сигнала. Р’ приборах схемотехнической микроэлектроники – аналоговых или цифровых РРЎ – информация хранится или обрабатывается РІ ячейках РІ РІРёРґРµ заряда, потенциала или тока определённого СѓСЂРѕРІРЅСЏ РЅР° определённой статической неоднородности.
Напротив, в ПЗС-матрицах, относящихся по своей физической природе к изделиям функциональной полупроводниковой электроники, информация хранится (либо обрабатывается) в виде динамической неоднородности – зарядового пакета, состоящего из электронов или дырок. Статические же неоднородности и различные схемы обрамления в этих изделиях играют вспомогательную роль.
В функциональной электронике пока не существует принципиальных ограничений, связанных с размерами статических или динамических неоднородностей. Сравним изделия традиционной схемотехнической и функциональной электроники по быстродействию.
В изделиях схемотехнической электроники перенос информационного сигнала происходит побитово по линиям межсоединений, что снижает помехоустойчивость и надёжность изделий. В изделиях функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан одномоментно весь, целиком, не обязательно в виде отдельных битов информации. Возможно создание устройства, позволяющего производить обработку информации в аналоговом и цифровом видах одновременно, поэтому в устройствах обработки информации на принципах функциональной электроники достигается производительность более 1015 оп./с.
В схемотехнической электронике с ростом степени интеграции и уменьшением топологической нормы возникает проблема «тирании межсоединений». Она связана с резким увеличением площади, занимаемой на кристалле межсоединениями (более 60%), деградацией электрических параметров линий межсоединений, ростом энергии на перерезарядку линий межсоединений, влиянием погонной ёмкости линий межсоединений и волнового сопротивления на частотные характеристики схемы, с необходимостью многоуровневой разводки при большом числе линий межсоединений.
В изделиях функциональной электроники перенос информации, как правило, осуществляется в континуальной среде, а не в линиях межсоединений. Они выполняют функции вспомогательных связей и проблема «тирании межсоединений» в этом случае не является ключевой.
Замечательным свойством РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ функциональной электроники является использование РІ процессах обработки информации функций высшего РїРѕСЂСЏРґРєР° РІ качестве элементарных, например, Фурье-преобразования; интегрального преобразования Лапласа, операции свертки; операции корреляции; автокорреляции; управляемой задержки информационного сигнала; хранения информации, РІ том числе РІ РІРёРґРµ многобитовых носителей; фильтрации информационного сигнала; когерентного сложения сигналов; ответвления информационных сигналов; комбинированной обработки информационных сигналов Рё С‚.Рґ. Р’ то Р¶Рµ время РІ изделиях функциональной электроники РјРѕРіСѓС‚ быть реализованы Рё традиционные элементарные функции типа Р, РР›Р, РќР• Рё РёС… различные комбинации.
В активной среде прибора функциональной электроники может храниться и одновременно обрабатываться большой объём информации. Поэтому изделие функциональной электроники может рассматриваться как процессор, выполняющий элементарные функции высшего порядка.
Важно отметить, что обработка информации в такого типа процессорах происходит в аналоговом виде, без перевода аналогового сигнала в цифровой и обратно. При такой обработке передача информации может осуществляться без проводников или линий межсоединений.
Устройства памяти реализуются путём упорядоченного сохранения в континуальной среде динамических неоднородностей, каждая из которых несёт бит информации. Возможно создание запоминающих устройств и на основе многобитовых динамических неоднородностей.
Р’ приборах Рё устройствах функциональной электроники информационный массив может быть обработан весь Рё сразу РІ одномоментном процессе. РџСЂРё этом РЅРµ обязательно использовать последовательную побитовую обработку двоичной информации. Рто эквивалентно случаю предельного распараллеливания процесса обработки массива информации. Таков принципиально новый путь, способный обеспечить производительность РїРѕСЂСЏРґРєР° 1015 РѕРї./СЃ. Так, акустооптический процессор обеспечивает производительность 1010 – 1012 РѕРї./СЃ, РІ то время как специальные микросхемы быстрого преобразования Фурье – РЅРµ более 2,5Г—108 РѕРї./СЃ. Выигрыш РЅР° несколько РїРѕСЂСЏРґРєРѕРІ РІ производительности вполне существенен.
Рассмотренные процессоры относятся Рє изделиям функциональной электроники первого поколения. Р’ РЅРёС… используется РѕРґРёРЅ РІРёРґ динамических неоднородностей РІ РѕРґРЅРѕР№ континуальной среде. Если используются РґРІР° или более РІРёРґР° динамических неоднородностей РІ разных средах, то такие изделия относятся РєРѕ второму поколению.
Анализируя устройства функциональной электроники, можно выделить некоторые элементы, характерные для всех конструкций.
Р’Рѕ всех приборах Рё изделиях функциональной электроники используются динамические неоднородности различного РІРёРґР° Рё различной физической РїСЂРёСЂРѕРґС‹. Рто первый элемент РІ предложенной модели РїСЂРёР±РѕСЂР° функциональной электроники. Так, РІ акустоэлектронных устройствах используются динамические неоднородности РІ РІРёРґРµ поверхностной акустической волны (РџРђР’); РІ полупроводниковых приборах СЃ зарядовой СЃРІСЏР·СЊСЋ – зарядовые пакеты электронов или дырок; РІ приборах магнитоэлектроники – магнитостатические волны (РњРЎР’) Рё С‚.Рґ.
Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают или хранят информацию в континуальных средах, как правило, в твёрдом теле. Континуальная среда является вторым элементом модели. Вообще говоря, она может иметь любое агрегатное состояние. Наши интересы в области микроэлектроники сосредоточены на использовании твёрдого тела. По своим физико-химическим свойствам среда должна быть достаточно однородной на всём тракте распространения информационного сигнала. Статические неоднородности, имеющиеся на поверхности или внутри континуальной среды, служат только для управления динамическими неоднородностями и не используются для обработки и хранения информации. Динамические неоднородности, обрабатывая информационный сигнал в континуальных средах, не меняют их физико-химических свойств в условиях термодинамического равновесия. В противном случае, динамическая неоднородность может образовать статическую неоднородность, представляющую собой «замороженный» бит информации.
Третьим элементом модели является генератор динамических неоднородностей, предназначенный для их ввода в канал распространения, расположенный в континуальной среде. Динамическая неоднородность может быть введена в информационный канал в континуальной среде и из-за её пределов или сгенерирована в этом канале.
Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения является четвёртым элементом в модели прибора.
Вывод или считывание информации осуществляется СЃ помощью детектора. Рто устройство позволяет преобразовать информационный массив, созданный динамическими неоднородностями, РІ массив двоичной информации. Р’ этом случае РјРѕР¶РЅРѕ использовать хорошо развитые устройства Рё методы цифровой обработки информации. Детектор является пятым элементом типовой модели.
Предложенная модель прибора функциональной электроники позволяет развить системный подход к анализу известных конструктивных решений – прототипов приборов, раскрыть физическую сущность явлений, лежащих в основе работы приборов, оптимизировать известные конструкции по технико-экономическим параметрам, а также разработать прогнотип – новое, ранее неизвестное конструктивное решение с заданными технико-экономическими показателями. Такого рода таксонометрические исследования имеют вполне самостоятельное значение как интеллектуальные исследования высокого уровня.
Ртак, общепризнано, что электронные устройства РЅР° дискретных элементах относили Рє устройствам первого поколения, первые интегральные схемы РІ электронике сформировали РїСЂРёР±РѕСЂС‹ Рё устройства второго поколения, Р° нынешнее третье поколение микроэлектронных средств вычислительной техники Рё обработки информации базируется РЅР° больших Рё сверхбольших интегральных схемах.
Вполне корректно к электронике четвёртого поколения отнести приборы и устройства, использующие динамические неоднородности в качестве носителей информационного сигнала.
Динамичное развитие электроники вынуждает внимательно отслеживать новые достижения физики, различные многочисленные ответвления самой электроники и помнить, что истинный специалист обязан обладать широкой эрудицией, системным мышлением и умением восполнять свои знания.