Будущее развитие МЭМС и "сухой" нанотехнологии
Виктор Лапай
Украина
Кибержизнь
Любая форма жизни невозможна без переноса веществ. Такой перенос возможен либо путём диффузии, либо путём целенаправленного механического перемещения. Кибержизнь - это жизнь не на химической, броуновской основе, а на основе микророботов.
Первым максимально чётко эту проблему сформулировал американский физик Ричард Фейнман почти пятьдесят лет назад: необходимо создать такой робот, который может построить свою уменьшенную копию. Копия сделает ещё меньшую копию и так далее, до атомного уровня. Жаль, что тогда решение этой проблемы так и не было найдено.
Чтобы найти решение, надо максимально упростить и расширить входную проблему.
Во-первых, анализ показывает, что необходимый нам робот и управляющий ним компьютер можно сделать всего их двух материалов - металла и диэлектрика, то есть, необходимо всего два вида «атомов».
Во-вторых, элементарная частичка системы вовсе необязательно должна быть равна реальному атому. Это может быть «атом» размером 10 нм, или даже микрон, главное, чтобы робот, строя свою копию, сохранил или уменьшил минимальный размер.
Для этого, в третьих, необходимо заострить строительную иглу робота. Существует несколько способов, как это сделать, один из которых был теоретически найден и экспериментально подтверждён в лаборатории персонально автором. Это очень важный момент, потому что именно он даёт ключ к решению проблемы, ведь при строительстве копий используется только кончик строительной иглы.
Наипростейший робот Фейнмана может иметь вид мягкой металлической спиральной пружинки со строительной иглой на конце, с трёх сторон которой (пружинки) размещены управляющие электроды. В зависимости от разницы потенциалов между пружиной и электродами, она растянется и изогнётся в необходимом нам направлении.
Уже сам по себе микроробот есть прототип электромеханического транзистора, точнее, несколько упрощенная его конструкция. Автоматически возникающие в этой схеме диффузионные проблемы вполне решаются. Теоретически существуют, так же, другие схемы МД - транзисторов без движущихся частей.
Предварительные расчёты показывают, что даже такая простая форма кибержизни может существовать в природе. При разогреве микророботами строительного материала постоянным током на катоде выделяется металлоиды, на аноде окислители и накопится диэлектрическая фаза.
От такой простой формы до полноценной кибержизни лежит такой же сложный путь, как от наипростейшего вируса до сине-зелёной водоросли. Если хорошо подумать, то полноценная киберклетка, используя солнечную энергию и атомы окружающей среды, окажется очень похожей на обычную биологическую, только она сможет успешно функционировать при очень низких температурах и в условиях высокого вакуума. Микророботы станут похожими на биологические микротрубочки, самое компактное хранение и обработка информации – на свёрнутых линиях-аналогах ДНК и т.д. На микророботах появятся специальные молекулярные насадки. Электрический ток или давление может инициировать необходимые химические реакции даже при очень низких температурах.
Между кибернетической и химической формами жизни есть непосредственная связь, хотя это две принципиально разные формы жизни. В условиях высоких температур и растворяющей жидкости становятся ненужными микро роботы, от них остаются только изменённые молекулярные насадки. Система делает качественный скачок и становится химической. Тем не менее, она все равно остаётся, по сути, электромеханической, так как любое химическое взаимодействие есть взаимодействие смещённых зарядов. Туннельный эффект не позволяет кибержизни достичь такого максимального уровня миниатюризации, каким характеризуется биожизнь.
Биологическая жизнь есть вершина совершенства и миниатюризации кибернетической жизни. Усовершенствовать её, а тем более миниатюризировать, практически невозможно.
Вполне возможно, что вероятность зарождения кибержизни во Вселенной намного больше, чем у химической. Ведь, даже на поверхности Луны есть вполне достаточно диэлектрических и металлических частичек (это фактические данные), которые достаточно активно движутся - неплохие условия для зарождения и развития кибержизни. Впрочем, это совсем не означает, что она кипит во Вселенной. Напротив, вероятность зарождения любой формы жизни настолько мала, что искать её за пределами планеты Земля - это только зря тратить время и деньги.
Вполне может быть, что по каким-то причинам кибержизнь не может самостоятельно существовать в природе. Но это не означает, что она не может существовать в искусственных условиях, созданных человеком. Именно такая, максимально упрощённая, форма кибержизни лежит в основе разработанной автором металл-диэлектрической технологии. Эта технология базируется исключительно на экспериментальных данных и есть, по сути, логичным развитием в третье измерение технологии Микро Электро Механических Систем (МЭМС).
Металл-диэлектрическая технология (МД - технология)
Первоначальная идея «размножающихся микророботов» слишком сложна и сыра, чтобы быть реализованной на современном уровне технологического развития. Сначала её надо максимально упростить. Чем проще система, тем больше шансов её реализовать.
Во-первых: Надо избавится от микророботов. Они значительно усложняют и тормозят весь процесс. Выращивание копий будет за счёт колебательных движений основы по принципу строчной развёртки. Это значительно ускоряет процесс.
Во-вторых: Надо ускорить подачу строительного материала и отвода отходов. Наиболее просто это сделать для жидких и газообразных компонентов через систему каналов.
В-третьих: Ни одна электромеханическая система не может соперничать в быстродействии с чисто электронной схемой. Управляемый электрический ток между строительной иглой и основой позволяет максимально быстро и точно осуществить массоперенос или осаждение необходимых веществ. В этом случае автоматически возникает проблема диэлектрика, который не проводит ток. Эта проблема имеет решение.
В основе МД-технологии лежит очень простая идея. Предположим, что нам каким-то образом удалось вырастить систему алюминий-золото-вакуумные каналы. Мы получим необходимую нам МД-структуру всего после одной операции химического окисления, так как золото не окисляется, а оксид алюминия прекрасный диэлектрик. Эту идею возможно развить далее. Возможно применить только один металл и полимерный, а не ионный, диэлектрик. Микророботы исчезают, остаются только МД-транзисторы.
Парадоксально, но сначала даже они не понадобятся. Вполне работоспособным может быть даже неполноценный вариант МД-технологии - без МД-транзисторов. Предварительные расчёты показывают, что плотность и быстродействие полупроводниковых транзисторов уже достигли величин, достаточных для эффективного управления выращивания МД-структур даже при минимальной ширине линии, ведь этот процесс всё ещё остаётся плоским. Базовые элементы, выращенные на микросхеме, могут, в свою очередь, на других микросхемах вырастить намного более сложные объёмные МЭМС с гораздо более меньшей шириной лини, чем сейчас.
Такая «гибридная» схема наиболее близка к современной технологии МЭМС и будет реализована на первом этапе. Более того, такая схема может кардинально изменить даже саму технологию создания полупроводниковых схем. Строительные иглы могут локально осуществить массоперенос, разогрев и травление - все необходимые операции. Технология МЭМС уже давно создала работоспособные электромеханические транзисторы, что позволяет реализовать и полноценный вариант МД-технологии.
Очевидно, что МД-технология невозможна без заострения строительных игл. Этот процесс играет здесь такую же ключевую роль, как уменьшение фотошаблона линзами или фокусировка электронного луча в планарной технологии. Мощность МД-технологии в том, что её базовые элементы, как и любая другая форма жизни, могут размножаться экспоненциально. Поэтому даже при возможной значительной коррозии базовых элементов и других проблемах эта схема остаётся работоспособной. Первые такие «клетки» микронных размеров будут сделаны иглой туннельного микроскопа.
Туннельный эффект ограничивает толщину диэлектрика значением 5-10нм. Плотность элементов в таком компьютере достигнет значения 1020-1021 м-3. В зависимости от размеров, конструкции, рабочего напряжения электромеханических транзисторов их быстродействие составит10-4 - 10-9с., для неподвижных модификаций до 10-11с. Потребление энергии на одно переключение составит 10-8-10-18Дж. Скорость выращивания полыми электродами достигнет 10-6-10-5м/с. и будет лимитироваться отводом тепла.
В наипростейшем варианте МД-технологии объёмный компьютер сначала будет всего-навсего куском тугоплавкого металла с многочисленными порами разного размера. Строго дозированная операция химического окисления и, возможно, травление, преобразует его в необходимую нам МД-структуру. Потом поры заполняют специальными веществами и компьютер готов к действию. Существует несколько конкретных кандидатов на эти процессы. (В действительности, всё так просто только на бумаге. Возможно, будет использовано больше компонентов и большее число операций обработки основы.)
Технология МЭМС экспериментально подтвердила теоретические основы МД-технологии. Целесообразно использовать в МД-технологии материалы и химические способы обработки основы технологии МЭМС, постепенно уменьшая ширину линии от уже освоенной до минимальной 0,005 мкм. Необходимо развивать дальше уже полученные в «сухой» нанотехнологии способы массопереноса и искать новые, например, электрохимию.
Хочу подчеркнуть, что даже максимально упрощённая проблема кибержизни остаётся достаточно сложной научной проблемой, поэтому не удивительно, что другие пути пока ещё не дали желаемый результат. Двадцать лет нанотехнологии наглядно это продемонстрировали.
Разработка МД-технологии требует большого объёма экспериментов и решения многочисленных проблем. Но и прибыль ожидается соответствующая. Это рынок на десятки и даже сотни миллиардов долларов в год.