Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Информатика
Посмотреть оригинал

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ И КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Развитие новых информационных и коммуникационных технологий имеет общие законы. Большинство новых технологий проходит в процессе своего развития пять этапов, однако некоторые технологии развиваются очень быстро и «пропускают» некоторые этапы, другие же, наоборот, периодически возвращаются на начальный этап развития.

Лучше всего этапы развития И КТ можно представить в графической форме. По оси абсцисс отложено время, однако различные технологии проходят этапы своего развития за различное время (от 2 до 10 лет), т.е. шкала оси времени для разных технологий неодинакова. По оси ординат отложен уровень оценки технологии обществом, что носит довольно субъективный характер.

Первый этап. «Восход надежд», время теоретических разработок и первых экспериментальных реализаций новой информационной или коммуникационной технологии. Разработчикам и экспертам кажется, что данная новая технология разрешит многие проблемы развития ИТ- технологий.

Примером первого этапа развития информационных технологий являются нанотехнологии. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных технологий, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул преимущественную роль играют квантовые эффекты.

Основной единицей измерения в нанотехнологических исследованиях является нанометр — миллиардная доля метра. В таких единицах измеряются молекулы и вирусы, а теперь и элементы компьютерных чипов нового поколения. Именно в наномасштабе протекают все базовые физические процессы, определяющие макровзаимодействия.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров.

Одним из основных видов нанообъектов являются наночастицы. При разделении вещества на частицы размером в десятки нанометров общая суммарная поверхность частиц в веществе увеличивается в сотни раз, а вследствие этого усиливается взаимодействие атомов материала с внешней средой, ведь теперь они почти все на поверхности.

Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами — это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.

Наноподшипник

Рис. 13.1. Наноподшипник

Нанотехнологии обычно делят на три направления:

  • ? изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов;
  • ? создание наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;
  • ? непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно.

Атомно-силовая микроскопия. Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно-силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности.

Атомно-силовой микроскоп

Рис. 13.2. Атомно-силовой микроскоп

Материалы нанотехнологий. Наноматериалы — разновидность продукции наноиндустрии в виде материалов, содержащих структурные элементы с нанометровыми размерами, наличие которых обеспечивает существенное улучшение или появление качественно новых механических, химических, физических, биологических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Углеродные нанотрубки — протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей.

Прочность этих трубок превышает прочность стали в десятки раз, они выдерживают нагрев до 2500 градусов и давление в тысячи атмосфер. Эта прочность свойственна и изготовленным на их основе материалам. В электронике нанотрубки могут применяться как хорошие проводники, а также и полупроводники.

Углеродные нанотрубки

Рис. 13.3. Углеродные нанотрубки

Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу алмаз, карбин и графит и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа атомов углерода.

Фуллерены

Рис. 13.4. Фуллерены

Графен — монослой атомов углерода. Графен можно представить себе как пластину, состоящую из атомов углерода. Данный материал обладает уникальными токопроводящими свойствами, которые позволяют ему служить как очень хорошим проводником, так и полупроводником. Кроме того, графен чрезвычайно прочен и выдерживает огромные нагрузки как на разрыв, так и на прогиб.

Графен

Рис. 13.5. Графен

Нанороботы — микроскопические роботы, созданные с использованием наноматериалов. По размеру нанороботы сопоставимы с молекулами, при этом могут двигаться, а также обрабатывать и передавать информацию. Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу.

Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок кожи. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. При обычном введении лекарства лишь одна молекула из ста тысяч достигает цели, в то время как наноустройство в белковой оболочке увеличивает эффективность на два порядка, в перспективе не будет опознаваться фагоцитами как «чужой» и после выполнения функции распадается на безвредные компоненты. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.

Медицинский наноробот

Рис. 13.6. Медицинский наноробот

В будущем, возможно, человечество получит комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду. А в перспективе нас ждет возникновение «разумной среды обитания» (т.е. природы, ставшей непосредственной производительной силой). Нанокомпьютеры и наномашины заполнят собой все окружающее пространство: они будут находиться между молекулами воздуха, присутствовать в каждом предмете, в каждой клетке человеческого организма. Весь окружающий мир превратится в один гигантский компьютер или, что, пожалуй, будет вернее, человечество сольется с окружающим миром в единый разумный организм.

Примерами таких технологий также являются разработки транзисторов молекулярных и атомных размеров. Действительно, современные транзисторы уже имеют размеры в несколько десятков атомов, и дальнейшая миниатюризация должна строится на новой основе.

Основой квантового компьютера может стать любая квантовая частица, обладающая двумя состояниями (логические 0 и 1). Например, это может быть спин электрона, имеющий два состояния (вниз и вверх), основное и возбужденное состояние атома и другие объекты, подчиняющиеся законам квантовой механики. Первые теоретические разработки квантовых компьютеров начались около 20 лет назад, проведены успешные лабораторные опыты по создания элементов квантовых компьютеров. Однако предсказать сроки появления квантовых компьютеров сейчас невозможно.

ДНК-вычисления предполагают создание новых алгоритмов вычислений на основе знаний о строении и функциях молекулы ДНК. Так же, как и любой другой процессор, ДНК-процессор характеризуется структурой и набором команд. В нашем случае структура процессора — это структура молекулы ДНК. А набор команд — это перечень биохимических операций с молекулами.

Квантовый компьютер (квантовый бит — это спин электрона или ядра атома)

Рис. 13.7. Квантовый компьютер (квантовый бит — это спин электрона или ядра атома)

Модель ДНК-процессора

Рис. 13.8. Модель ДНК-процессора

На базе ДНК-вычислений ведется разработка нанокомпьютера, который можно будет вживлять в клетку организма и производительность которого будет исчисляться миллиардами операций в секунду при энергопотреблении не более одной миллиардной ватта. В настоящее время ДНК-вычисления находятся на стадии лабораторных исследований, поэтому создание биологического компьютера прогнозируется только через несколько десятков лет.

Молекулярный транзистор — это молекула, которая может существовать в двух устойчивых состояниях, обладающих разными свойствами (логические 0 и 1). Транзистор на одной молекуле в десятки раз меньше современных транзисторов. Переводить молекулу из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, магнитного поля и других физических воздействий. Уже в настоящее время существуют логические схемы на молекулярных транзисторах и планируется, что уже ближайшее десятилетие начнется их промышленное производство.

Молекулярный транзистор

Рис. 13.9. Молекулярный транзистор

Второй этап. «Пик завышенных ожиданий», когда разработчики и средства массовой информации внушают обществу высокую ценность новой технологии и эффективность первых промышленных образцов.

Примером такой технологии являются «электронные чернила». В ходе многолетних исследований удалось создать тип устройств визуализации информации, которые обладают механическими свойствами обычной бумаги (например, их можно свертывать в рулон).

Базовыми элементами таких устройств являются микрокапсулы (пиксели), заполненные микрочастицами двух цветов: белого и черного. Слой микрокапсул расположен между двумя прозрачными и гибкими электродами. При подаче напряжения определенной полярности, микрочастицы белого цвета собираются в верхней части капсулы, а микрочастицы черного цвета в нижней части. При перемене полярности напряжения все происходит наоборот. Так формируется черно-белое изображение. Однако существенным недостатком таких устройств является большое время переключения пикселов (около 1 сек), что препятствует их широкому промышленному производству.

Электронные чернила

Рис. 13.10. Электронные чернила

Третий этап. «Котловина разочарований», когда широко разрекламированная новая технология теряет свою привлекательность в глазах конечных потребителей. В процессе использования первых массовых экземпляров новой технологии выявляются конструктивные недостатки.

Компактные топливные элементы предназначены для прямого преобразования энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электрическую энергию. В отличие от аккумуляторов, заряд которых возобновляется при подключении к внешнему источнику тока, восстановление работоспособности топливных элементов осуществляется путем пополнения запаса топлива.

Однако у топливных элементов обнаружились серьезные недостатки: проблема зарядки топливом, высокая температура топливного элемента при работе. Все это откладывает массовое промышленное производство топливных элементов.

Компактный топливный элемент

Рис. 13.11. Компактный топливный элемент

Четвертый этап. «Подъем жизнестойкости», когда на основе новых исследований оптимизируется технологический процесс и начинается массовое серийное производство.

Примером такой технологии является широкополосный, т.е. высокоскоростной, доступ в Интернет. Технологии широкополосного доступа стали необходимым обычным явлением для пользователя. Необходимо отметить, что технология широкополосного доступа в Интернет может использовать различные методы и каналы связи.

Широкополосный, т.е. высокоскоростной, доступ в Интернет

Рис. 13.12. Широкополосный, т.е. высокоскоростной, доступ в Интернет

Пятый этап. «Плато продуктивности», когда массовое серийное производство изделий по новой технологии находит массовый устойчивый спрос потребителей и приносит стабильную прибыль производителям.

Определение местоположения на поверхности земли стало широко применяться в спутниковых системах (GPS — США или ГЛОНАСС — Россия). Для этого запущено требуемое количество спутников и развернуто массовое промышленное производство приемников спутникового сигнала (с нескольких спутников) и отображение на экране такого приемника карты местности с указанием местоположения. Точ- ность такого определения местоположения в открытом гражданском секторе составляет несколько метров, а в закрытом военном — несколько сантиметров.

Приемник определения местоположения

Рис. 13.13. Приемник определения местоположения

Определение местоположения предоставляют и операторы мобильной связи, правда, точность определения местоположения составляет обычно несколько сот метров и зависит от количества и расположения базовых станций.

Развитие информационных и коммуникационных технологий

Рис. 13.14. Развитие информационных и коммуникационных технологий

Контрольные задания

1. Назовите информационные и коммуникационные технологии, соответствующие различным этапам развития технологии.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы