Технологии
Мир совершенствуется каждый день, изобретая и открывая что-то новое, и без этих достижений мы бы не продвинулись так далеко.
Ученые, исследователи, разработчики и дизайнеры со всего мира пытаются воплотить то, что упростит нашу жизнь и сделает ее интереснее.
Вот, несколько технологий будущего , которые поднимают нашу жизнь на совершенно другой уровень.
Новые технологии будущего
1. Биохолодильники
Российский дизайнер предложил концепцию холодильника, названного "Bio Robot Refrigerator", который охлаждает еду с помощью биополимерного геля . В нем нет полок, отделений и дверей - вы просто вставляете еду в гель.
Идея была предложена Юрием Дмитриевым для конкурса Electrolux Design Lab. Холодильник использует всего 8 процентов энергии дома для контрольной панели и не нуждается в энергии для фактического охлаждения.
Биополимерный гель холодильника использует свет, генерируемый при холодной температуре, чтобы сохранять продукты. Сам гель не имеет запаха и не липкий, а холодильник можно установить на стене или на потолке.
2. Сверхбыстрый 5G Интернет от беспилотников с солнечными панелями
Компания Google работает над дронами на солнечных панелях, раздающими сверхскоростной Интернет в проекте, названном Project Skybender . Теоретически беспилотники будут предоставлять Интернет услуги в 40 раз быстрее , чем в сетях 4G, позволяя передавать гигабайт данных в секунду.
Проект предусматривает использование миллиметровых волн для предоставления сервиса, так как существующий спектр для передачи мобильной связи слишком заполнен.
Однако эти волны имеют более короткий диапазон, чем мобильный сигнал 4G. Компания Google работает над этой проблемой, и если удастся решить все технические проблемы, вскоре может появится Интернет небывалой скорости.
3. 5D диски для вечного хранения терабайтов данных
Исследователи создали 5D диск, который записывает данные в 5 измерениях, сохраняющиеся миллиарды лет. Он может хранить 360 терабайт данных и выдержать температуру до 1000 градусов .
Файлы на диске сделаны из трех слоев наноточек. Пять измерений диска относятся к размеру и ориентации точек, а также их положению в пределах трех измерений. Когда свет проходит через диск, точки меняют поляризацию света, которая считывается микроскопом и поляризатором.
Команда из Саутгемптона, которая разрабатывает диск, смогла записать на диск Всеобщую декларацию прав человека, Оптику Ньютона, Магна Карту и Библию. Через несколько лет такой диск уже не будет экспериментом, а станет нормой хранения данных.
4. Инъекции частиц кислорода
Ученые из Бостонской детской больницы разработали микрочастицы, наполненные кислородом, которые можно вводить в кровоток , позволяя вам жить, даже если вы не сможете дышать.
Микрочастицы состоят из одного слоя капсул липидов, которые окружают небольшой пузырь кислорода. Капсулы размером 2-4 микрометра подвешены в жидкости, которая контролирует их размер, так как пузыри большего размера могут быть опасны.
При введении, капсулы, сталкиваясь с красными кровяными клетками, передают кислород. Благодаря этому методу удалось ввести в кровь 70 процентов кислорода.
5. Подводные транспортные туннели
В Норвегии планируют построить первые в мире подводные плавающие мосты на глубине 30 метров под водой с помощью больших труб, достаточно широких для двух полос.
Учитывая сложности перемещения по местности, в Норвегии решили работать над созданием подводных мостов. Ожидается, что проект, на который уже затрачено 25 миллиардов долларов, будет закончен в 2035 году.
Предстоит еще учесть и другие факторы, например, влияние ветра, волн и сильных течений на мост.
6. Биолюминесцентные деревья
Группа разработчиков решила создать биолюминесцентные деревья с помощью фермента, встречающегося у некоторых медуз и светлячков .
Такие деревья смогут освещать улицы и помогут прохожим лучше видеть ночью. Была уже разработана небольшая версия проекта в форме растения, светящегося в темноте. Следующим шагом станут деревья, освещающие улицы.
7. Сворачивающиеся в рулон телевизоры
Компания LG разработала прототип телевизора, который можно свернуть как рулон бумаги .
Телевизор использует технологию светодиодов на основе полимерной органики, чтобы уменьшить толщину экрана.
Кроме LG, другие крупные производители электроники, такие как Samsung , Sony и Mitsubishi работают над тем, чтобы сделать экраны более гибкими и портативными.
Развитие технологий в будущем
8. Бионическая линза для све р хчеловеческого зрения
Канадский врач собирается проводить клинические тестирования "бионических линз", которые в 3 раза улучшают стопроцентное зрение с помощью 8-минутной безболезненной операции.
Новая линза будет доступна уже к 2017 году, улучшая естественный хрусталик глаза. Во время операции шприц внедряет линзу с физиологическим раствором в глаз, и через 10 секунд сложенная линза распрямляется и располагается над естественным хрусталиком, полностью корректируя зрение.
9. Спрей-одежда
Испанский дизайнер Манел Торрес (Manel Torres) изобрел первую в мире спрей-одежду. Вы можете нанести спрей на любую часть тела, а затем снять его, смыть и снова носить .
Спрей сделан из специальных волокон, смешанных с полимерами, которые придают ткани эластичность и долговечность. Эта технология позволит дизайнерам создавать уникальные предметы одежды с оригинальным дизайном.
10. Портреты, полученные из ДНК
Студентка Хизер Дюи-Хагборг создает 3D портреты из ДНК, найденных на сигаретных окурках и жевательных резинках на улице.
Последовательности ДНК она вводит в компьютерную программу, которая создает облик человека с образца. Обычно в ходе этого процесса выдают 25-летнюю версию человека. Затем модель распечатывают в 3D портреты в натуральную величину.
11. Покупки в виртуальной реальности
Один из таких магазинов был открыт на железнодорожной станции в Южной Корее, где вы можете сделать заказ, сфотографировав штрих-код , и ваши покупки доставят домой.
Сеть магазинов Homeplus установила шесть дверей-экранов с изображениями полок в натуральную величину c товарами, которые вы приобрели бы в супермаркете. Под каждым товаром есть штрих-код, который можно отсканировать и отправить с помощью приложения.
Вы можете сделать заказ на станции по дороге на работу, и товары доставят к вам домой вечером.
12. Беспилотные автомобили
Ожидается, что к 2020 году появится около 10 миллионов беспилотных автомобилей , что снизит количество смертей на 2500 между 2014 и 2030 годом.
Многие производители автомобилей уже начали внедрять некоторые функции автоматического вождения в производимых автомобилях.
Также есть множество компаний, пытающихся разработать технологии для самоуправляемых автомобилей, как например, Google, объявивший о прототипе беспилотного автомобиля. Полностью автономный автомобиль ожидается к 2019 году.
13. Город под куполом
В Дубае идет строительство торгового центра, называемого "Mall of the World", накрытого выдвижным куполом , который контролирует климат внутри, и снабжает кондиционированием воздуха.
Комплекс займет площадь 4,46 км2 и и будет включать крупный центр красоты и здоровья, культурно-развлекательный район, отели на 20 тысяч номеров и многое друге. Это будет самый крупный торговый центр с закрытым тематическим парком.
14. Искусственные листья, преобразующие углекислый газ и солнечный свет в топливо
Ученые разработали новые солнечные элементы, преобразующие углекислый газ в атмосфере в топливо с помощью Солнца .
Хотя предпринималось немало попыток преобразования углекислого газа во что-то полезное, впервые был разработан реальный метод. В отличие от других технологий, для которых нужны благородные металлы, такие как серебро, этот метод использует материал на основе вольфрама, который в 20 раз дешевле и действует в 1000 раз быстрее.
Эти солнечные элементы используют углекислый газ из атмосферы, чтобы произвести синтетический газ – смесь газообразного водорода и окиси углерода, который можно напрямую сжигать или преобразовывать в углеводородное топливо.
Технологии ближайшего будущего
15. Плазменное силовое поле, защищающее автомобили от несчастных случаев и столкновений
Компания Boeing запатентовали метод создания плазменного поля, быстро нагревая воздух, чтобы быстро поглощать ударные волны.
Силовое поле можно будет генерировать с помощью лазеров или микроволнового излучения. Созданная плазма представляет собой воздух, нагретый до более высокой температуры, чем окружающий воздух, с другой плотностью и составом. Компания считает, что оно сможет отражать и поглощать энергию, генерируемую взрывом, защищая тех, кто находится внутри поля.
Если технологию удастся воплотить в жизнь, это станет революционным развитием в военной области.
16. Плавучие города
Плавающий экополоис, названный Lilypad, был предложен архитектором Винсентом Каллеба (Vincent Callebaut) для будущих климатических беженцев в качестве долговременного решения проблемы повышения уровня моря. Город может вместить 50 000 людей, используя возобновляемые источники энергии.
Лазерные чипы, гибкие печатные схемы, мемристоры и другие чудеса техники уже совсем рядом! Представьте себе мир, в котором электронные устройства заряжают себя сами, музыкальные плееры, способные проиграть всю вашу аудиоколлекцию, самовосстанавливающиеся батареи и чипы, изменяющие свои возможности «на лету». Судя по тому, над чем сегодня работают американские исследовательские лаборатории, все это не только возможно, но и перспективно.
«Следующие пять лет станут действительно впечатляющим периодом в развитии электроники, — говорит Дэвид Сейлер (David Seiler), глава подразделения полупроводниковой электроники коммерческого отдела Национального института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) в Гейтерсберге, штат Мерилэнд. - Множество вещей, которые сегодня кажутся далекой фантастикой, получат повсеместное распространение».
Итак, вы готовы начать путешествие в будущее электроники? Многие из идей, о которых мы расскажем сегодня, могут выглядеть фантастически, некоторые покажутся лишенными здравого смысла, но все их объединяет то, что они уже были опробованы в лабораториях и имеют все шансы превратиться в коммерческие продукты в ближайшие 5 лет.
Основная тема этой статьи - новые разработки в области микропроцессорной техники - от процессоров, передающих данные с помощью лазеров, заменяющих провода, до схем, выполненных на основе новых материалов, которые придут на смену традиционному кремнию. Эти технологии могут стать строительным материалом для множества новых инновационных продуктов, некоторые из которых мы даже не можем себе представить сегодня.
Чипы без проводов: лазерное соединение
При ближайшем рассмотрении можно увидеть, что типичный микропроцессор содержит миллионы тонких проводов, которые тянутся во все направления, соединяя активные элементы. Заглянув под поверхность вы найдете еще раз в пять больше проводов. Юрген Мишель (Jurgen Michel), ученый из Центра микрофотоники при Массачусетском технологическом институте в Кембридже (MIT"s Microphotonics Center in Cambridge), намерен заменить все эти провода импульсами германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.
«По мере увеличения числа ядер и компонентов в процессорах соединительные провода переполняются данными и становятся слабым каналом связи. Использование фотонов вместо электронов позволяет улучшить ситуацию», — объясняет Мишель.
Перемещая данные со скоростью света, германиевые лазеры способны передавать биты и байты информации в 100 раз быстрее, чем путем перемещения электронов по проводам. Это особенно важно для связи между ядрами процессора и его памятью. Так же, как оптоволоконные линии улучшили эффективность телефонных звонков, использование лазеров в микропроцессорах может поднять обработку данных на небывалые высоты.
Самое приятное, что система Массачусетского технологического института не требует применения внутри процессоров огромного количества тоненьких кабелей. Вместо этого чип содержит множество скрытых туннелей и полостей, по которым перемещаются световые импульсы, а крошечные зеркала и сенсоры передают и интерпретируют данные.
Сочетание традиционной кремниевой электроники с оптическими компонентами, известное как кремниевая фотоника, может сделать компьютеры более экологичными - дружественными для окружающей среды. И все потому, что лазеры потребляют меньше энергии, чем провода, и излучают меньше тепла в окружающее пространство.
«Оптоэлектроника - это настоящий святой Грааль, — говорит Сейлер. - Она позволяет расширить возможности электроники и предоставляет при этом отличный способ снизить энергопотребление, поскольку не содержит проводов, которые являются настоящими теплорадиаторами для окружающего пространства».
В феврале 2010 года Мишель и его коллеги, Лайонел Кимерлинг (Lionel Kimerling) и Джифенг Лиу (Jifeng Liu), успешно создали и протестировали действующую схему, использующую для передачи данных встроенный германиевый лазер. В новом чипе была достигнута скорость передачи данных свыше 1 ТБ/с, что на два порядка быстрее, чем позволяют лучшие современные чипы с проводными соединениями.
Новый чип был создан с использованием современных технологий производства полупроводников с некоторыми дополнениями, поэтому Мишель считает, что переход к использованию чипов на основе лазерных соединений состоится уже в ближайшие пять лет. Если дальнейшие тесты пройдут успешно, MIT лицензирует технологию производства. Широкое распространение нового типа чипов ожидается к 2015 году.
Более того, к 2015 году ожидается появление компьютеров с 64-ядерными процессорами, ядра которых будут работать независимо и одновременно.
«Соединять их при помощи проводов - тупиковый путь, — говорит Мишель. - Использование германиевого лазера имеет грандиозный потенциал и большое преимущество».
Новейшие схемы: мемристоры
Ваш MP3-плеер переполнен любимыми музыкальными композициями и вы чувствуете себя сродни убийце, удаляя тот или иной трек? В таком случае мемристоры могут прийти как раз вовремя.
Это первые фундаментально новые электронные компоненты после создания в 50-х годах прошлого века кремниевых транзисторов. Мемристоры являются более скоростной, долговечной и потенциально более дешевой альтернативой флэш-памяти. А еще они в два раза более емкие - настоящее раздолье для любителей музыки.
.jpg)
«Если сегодня мы решим пересмотреть технологию производства компьютеров, мы просто обязаны использовать мемристорную память, считает Р. Стенли Уильямс (R. Stanley Williams), ведущий исследователь и глава группы квантовых исследований (Quantum Science Research, QSR) HP Labs в Пало-Альто, Калифорния. - Это фундаментальная структура для будущей электроники».
Мемристор - другими словами, резистор с памятью, — впервые упомянул профессор Калифорнийского университета Леон Чу (Leon Chua) еще в 1971 году. Но мемристорные прототипы HP Labs не демонстрировались публично вплоть до 2008 года.
Для создания мемристоров HP использует чередующиеся слои диоксида титана и платины. Под электронным микроскопом они выглядят как серии длинных параллельных выступов. Ниже под прямым углом расположен такой же слой, образуя «кубики» с размерами ячеек 2 х 3 нм.
Ключевой момент состоит в том, что любые два соседних провода можно соединить с электрическим переключателем под поверхностью, создавая ячейку памяти. Изменяя напряжение, прилагаемое к «кубикам», ученые могут открывать и закрывать крошечные электронные переключатели, сохраняя данные, как в традиционных чипах флэш-памяти.
Новый тип памяти получил название ReRAM (Resistive Random Access Memory). Такие чипы не только позволяют сохранить в два раза больше данных, чем флэш, но и работают в 1 000 раз быстрее, а также выдерживают до 1 000 000 циклов перезаписи, по сравнению со 100 000 циклов перезаписи у стандартной флэш-памяти. Кроме того, ReRAM читает и записывает данные на сравнимых скоростях, тогда как флэш-памяти требуется намного больше времени для записи данных, чем для их чтения.
HP и южнокорейская компания Hynix заключили договор о сотрудничестве с целью наладить массовое производство чипов ReRAM, которые смогут найти применения во многих портативных устройствах, таких как мультимедийные плееры. А ведь это означает терабайты музыкальных треков, видео и электронных книг! Первые продукты с новыми чипами памяти ожидают на рынке в 2013 году.
ReRAM также придет на смену динамической оперативной памяти в компьютерах. Поскольку ReRAM энергонезависима, она не будет терять информацию при выключении системы и не будет расходовать электроэнергию, в отличие от DRAM. По мнению Уильямса, грядет эра мгновенной обработки данных. Сегодня пользователи чаще не выключают компьютеры, а отправляют их в спящий режим. Но все равно для «пробуждения» компьютерной технике требуется от нескольких секунд до минуты, и лишь после этого доступ к данным будет восстановлен. Устройства, использующие ReRAM, возвращаются в рабочее состояние мгновенно.
Более того, по словам Уильямса, есть возможность размещать массивы мемристоров внутри чипа один над другим. Это путь к созданию 3D-памяти, которая позволит более рационально использовать пространство внутри чипа, вмещать гораздо больше памяти в одинаковый физический объем.
«Не существует фундаментальных ограничений на количество слоев, которые мы можем произвести, — объясняет Уильямс. - В ближайшие 10 лет мы можем создать чипы с объемом памяти в петабайт». Это миллион гигабайтов памяти, его достаточно для хранения видео высокой четкости, которого хватило бы на год просмотра. При этом размеры самого чипа не превышают размеров человеческого ногтя.
«Память - это только одна из возможностей применения мемристоров, но далеко не единственная. У этой технологии гигантский потенциал», — считает Сейлер.
В ближайшие 20 лет дизайн компьютеров может быть пересмотрен. В 2010 году исследователи из HP обнаружили, что мемристоры можно использовать для логических вычислений, а не только для хранения данных. Это означает, что, теоретически, обе эти функции можно реализовать на одном чипе.
И опять слово Уильямсу: «Один мемристор способен заменить множество схем, что в свою очередь позволит упростить архитектуру, дизайн и работу компьютеров». Например, один мемристор способен заменить шесть транзисторов, используемых для создания статичных ячеек RAM в кэш-памяти процессора.
По мнению Уильямса, мемристорная технология позволит даже создать искусственные нейронные синапсы, способные имитировать работу мозга. Сегодня это лишь отдаленные перспективы, но главное - в принципе возможные.
«Мемристоры имеют все шансы переписать правила электроники», — говорит Супратик Гуха (Supratik Guha), директор департамента физических наук IBM. Однако, по его мнению, технология требует дальнейшего совершенствования. «Они могут иметь потенциал в качестве элементов памяти, — добавляет он. - Но, как и любая другая технология, здесь следует двигать ползком, прежде чем идти и идти, прежде чем бежать».
Другими словами, мемристорные технологии не появятся неожиданно. Пройдет еще много времени, прежде чем мемристоры станут столь же широко распространенными, как DRAM или флэш-память.
Изменяемые чипы: программируемые слои
От самых скоростных процессоров к самым миниатюрным модулям памяти. Почти все чипы, используемые в современной электронике, имеют одну общую черту: их активные элементы находятся в верхних 1-2% слоя кремния, из которого он сделан.
В ближайшие несколько лет ситуация изменится, так как производители будут стараться втиснуть в вертикальные слои как можно больше компонент. Некоторые производители, такие как Intel, используют технологии склеивания отдельных чипов, а ученые из Университета Рочестера создают многослойные 3D-структуры внутри чипов. Оба подхода являются очень сложными и дорогими.
Вот если бы можно было заставить чипы перестраивать свою схему «по требованию», чтобы иметь несколько слоев активных элементов. Эта идея была воплощена в технологии Spacetime от Tabula и нашла применение в архитектуре чипов ABAX.
Вместо того, чтобы намертво впечатывать в кремний несколько слоев постоянных компонент, ABAX использует перепрограммируемые схемы, которые могут изменять функции в зависимости от требований пользователя. Сегодняшние чипы производителя содержат 8 разных слоев, свойства которых можно изменить в мгновение ока..jpg)
«Это выглядит примерно как супермаркет с восемью этажами, — объясняет Стив Тиг (Steve Tieg), глава по технологиям компании Tabula. - Чтобы перемещаться между этажами вы пользуетесь эскалатором». Но вместо того, чтобы создавать восемь отдельных физических этажей с собственной структурой и ассортиментом товаров, Tabula продемонстрировала способ создать единый слой (или этаж), который можно переконфигурировать в зависимости от задач.
«Это можно сравнить с тем, как если бы пока покупатель находится на эскалаторе, кто-то перестраивал бы этаж, чтобы создать нужный уровень с нужными продуктами, — добавляет Тиг. - Обстановка за пределами эскалатора выглядит так, будто покупатель находится на восьмом этаже, но на самом деле этаж один, просто изменившийся в соответствии с его потребностями».
Перепрограммирование чипа в рабочее состояние занимает всего 80 пикосекунд, в 1000 раз быстрее цикла вычислений обычного чипа. Таким образом, слои меняются практически «на лету», пока чип находится в ожидании следующей цепочки команд.
Таким образом, чипы ABAX позволяют сделать больше с меньшими затратами. Сделанные с использованием традиционной технологии производства полупроводников, чипы Tabula ABAX обходятся производителю примерно в ту же сумму, что и производство обычных чипов. Данный дизайн по-прежнему использует только верхние слои чипа, но один слой выполняет функции восьми различных чипов. По словам Тига, технология позволяет увеличить плотность схем в два раза, а память и пропускную способность видео - в 3.5 раза.
Сегодня Tabula сконцентрировала усилия на производстве чипов для специальных целей. Такие чипы - настоящие «рабочие лошадки» нашего времени. Они находят применение, например, в беспроводных маршрутизаторах или оборудовании для вышек сотовой связи.
В дальнейших планах Tabula - наладить производство чипов для популярных электронных устройств - цифровых камер, игровых консолей, а быть может даже и для полноценных компьютеров. Текущий 8-слойный дизайн чипов уже запущен в массовое производство, и сейчас Tabula работает над созданием 12-слойной версии с перспективой увеличения количества слоев до 20.
«Не существует ограничения на количество слоев, которые мы могли бы интегрировать», — отметил Тиг.
От сажи к схемам: графены
На протяжении последних 45 лет количество транзисторов в кремниевых процессорах компьютеров удваивалось каждые два года, доказав, что закон Мура работает так же надежно, как и закон тяготения. По мере того, как активные элементы чипов становились все меньше и дешевле для производства, в конечные устройства их можно было «втиснуть» во все возрастающих количествах, что в свою очередь увеличивало сложность, возможности и… энергопотребление электроники.
Но на самом деле такой путь оказался тупиковым. Ученые пытались поместить в кремниевый чип еще больше транзисторов, но примерно с размеров в 14 нм начались трудности с дальнейшей миниатюризацией элементов. 14 нм - это размер двух молекул гемоглобина в нашей крови или около одной тысячной размера гранулы тальковой пудры.
Вещество под названием графен вдохнуло новую жизнь в закон Мура, доказанный кремниевыми технологиями. Графен представляет собой слой атомов углерода, выстроенных в виде шестиугольных ячеек. Толщина такого слоя - 1 атом. Под электронным микроскопом графен очень похож на соты.
.jpg)
«Он не только странно выглядит, но и обладает необычными свойствами, — говорит Вольт де Гир (Walt de Heer) заведующий нанолабораторией Технологического института Джорджии. - Графен - уникальный материал будущего. Он скоростной, потребляющий мало энергии и из него можно делать самые миниатюрные элементы. Его возможности превосходят кремний, он делает то, что не под силу кремнию. Именно за ним будущее электроники».
Исследователи в области полупроводников экспериментировали с графеном еще с 70-х годов прошлого века. Но до недавнего времени им не удавалось создать ультратонкие слои графеновых шестиугольников. Ученые из Манчестерского университета Андре Гейм (Andre Geim) и Константин Новоселов успешно создали первые графеновые слои в 2004 году (за это и другие достижения в исследовании графенов в 2010 году они были удостоены Нобелевской премии). После этого графеновые технологии начали быстро развиваться.
В начале 2011 года группа де Гира создала графеновые провода - первый большой шаг на пути к созданию микрочипов. Толщины провода около 10 нм удалось добиться путем эпитаксии - наращивания чистого графена на кремниевой основе. (Эпитаксия - процесс наращивания тонкого слоя кристалла на подложке из другого кристалла (субстрате), так что наращиваемый слой повторяет структуру субстрата).
В конце концов, ученым удалось получить электронные структуры, имеющие толщину 1 нм и намного более скоростные, чем кремний. По прогнозам ученых, использование графенов позволит создать процессоры с частотой, измеряемой в терагерцах - это в 20 раз быстрее, чем быстродействие современным кремниевых процессоров.
В следующем году ученые Технологического института Джорджии надеются завершить создание прототипа чипа со встроенным графеном и протестировать возможности использования уникальных свойств этого материала для создания микросхем.
Ученые из IBM создали экспериментальные транзисторы и интегральные схемы на основе графенов, используя стандартные технологии производства полупроводников. По их словам - это можно считать первым шагом на пути к использованию графенов в промышленных масштабах.
«Эта область имеет огромный потенциал, — говорит директор департамента физических наук IBM Супратик Гуха. - Графены найдут применение в военной промышленности и в беспроводных технологиях, кроме того, их можно будет интегрировать с кремнием. Сегодня нужно хорошо потрудиться, чтобы продемонстрировать возможности создания схем усилителей с интегрированными в них высококачественными активными элементами из графена».
По прогнозам, первые продукты, использующие графены, появятся в 2013 году. Поэтому ожидать появления в ближайшее время супер-скоростных ноутбуков с графеновыми процессорами пока преждевременно. Если такая техника и появится, она будет слишком дорогой и сможет найти применение лишь в тех областях, где цена не имеет значения по сравнению с высокими скоростями и низким энергопотреблением.
Также и привычные нам интегральные схемы когда-то были «дорогим удовольствием» и применялись лишь в военной промышленности и для других особых целей. История в этой области такова, что многие вещи являются в мир дорогими и недоступными, а затем становятся дешевыми и общераспространенными. Графены имеют огромный потенциал, предполагается, что они могут стать общедоступными уже в ближайшие 10 лет.
Печатные схемы: бюджетные чипы
Стандартная технология производства полупроводников включает целый ряд сложных этапов, которые проводятся в абсолютно чистом помещении, где нет разрушительной для электроники пыли и загрязняющих веществ. Компания Xerox применяет более простой и дешевый способ производства электроники путем печати схем на пластиковой основе. Технологический процесс подразумевает использование оборудования, которое может стоить тысячи долларов, но не миллиарды, необходимые для развертывания традиционного завода для производства процессоров.
.jpg)
«Обычные электронные элементы - быстрые, маленькие и дорогие, — говорит Дженифер Эрнст (Jennifer Ernst), бывший директор по развитию бизнеса лаборатории Xerox PARC в Пало-Альто, Калифорния. - Печатая их непосредственно на пластик, PARC делает электронные элементы медленными, большими и дешевыми».
Технологический процесс печатания схем, разработанный PARC, требует немногим больших усилий, чем, например, распечатка обычной картинки. Все, что для этого нужно - специальные материалы, вроде серебряных чернил, а сама схема наносится на гибкие полиэтиленовые пластины, а не на хрупкий кремний. В принципе, конечный продукт даже сложно назвать чипом.
Адаптация различных технологий печати, включая впрыскивание чернил, штамповку и трафаретную печать, PARC производит усилители, батареи и переключатели намного менее дорогие, чем произведенные традиционным способом. А недавно компании удалось наладить производство 20-разрядной памяти и контроллеров, которые появятся в продаже уже в следующем году.
Другой интересный проект на основе печатных схем - детектор взрывов, который PARC разработала для Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США (U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA). Гибкие печатные схемы встраиваются в военные каски, где новые сенсоры измеряют давление, мощность звука, ускорение и освещенность в условиях боевых действий.
Проведя неделю на передовой, солдат возвращается и сдает каску в специальную лабораторию, где полученные данные тщательно анализируются, и врачи делают вывод о возможности наличия травм головного мозга. Такие датчики хорошо выполняют свою работу, а стоят менее $1 по сравнению с $7, в которые обходится один традиционный сенсор.
Конечно же, печатные схемы и близко не способны конкурировать с кремнием, когда речь идет о быстродействии или возможности «упаковать» в малый объем миллиарды транзисторов. Но существует много областей применения, где стоимость гораздо важнее быстродействия. А в начале 2012 года печатные схемы начнут применять в игрушках и электронных играх, требующих простейшей обработки данных - например, синтезаторах речи, а также для управления подушками безопасности в автомобилях.
.jpg)
А уже к 2015 году печатные схемы можно будет найти и в других электронных продуктах - гибких ридерах электронных книг, которые можно будет сворачивать в трубочку наподобие бумажных журналов или для производства одежды из специальных тканей с солнечными элементами, с помощью которой можно будет подзаряжать мобильный телефон или музыкальный плеер.
По прогнозам аналитической фирмы IDTechEx, объемы продаж гибких печатных схем возрастут с $1 млрд в 2010 до $45 млрд в 2016 году. Они найдут применение в широком спектре устройств.
Инновационные технологии стали, пожалуй, величайшим проводником перемен в современном мире. Без риска здесь никогда не обходится, но позитивные технологические прорывы обещают дать новаторские решения самых неотложных мировых проблем современности − от нехватки ресурсов до глобальных изменений окружающей среды. (…) Выдвигая на передний план самые важные технологические достижения, Совет стремится повысить информированность об их потенциале и способствовать закрытию брешей в инвестициях, регулировании и общественных представлениях.
− Нубар Афеян (Noubar Afeyan), предприниматель, один из составителей доклада
А теперь посмотрим на сами инновации.
Эти инновационные технологии практически невидимые. Среди них: наушники-вкладыши, следящие за частотой сердечных сокращений, датчики, контролирующие осанку (их носят под одеждой), временные татуировки, которые следят за работой жизненно важных органов, и тактильные подошвы, которые укажут вам дорогу по GPS с помощью вибрации.
Последние, кстати, хотят использовать в качестве поводыря для слепых. А всем известные очки Google Glass инновационная технология уже помогают онкологам в проведении операций.
Google Glass — инновационная технология
2. Наноструктурированные графитные композитные материалы
Автомобильные выхлопы, загрязняющие атмосферу, − бич современных экологов. Неудивительно, что повышение рабочей эффективности транспорта − одно из приоритетных технологических направлений.
Способствовать этому будут методы наноструктурирования углеродного волокна для новейших композитных материалов, которые помогут снизить вес автомобилей на 10% и больше. Для чего? Легкой машине нужно меньше топлива, а, значит, она будет меньше загрязнять окружающую среду
Еще одна проблема экологического характера − уменьшение запасов пресной воды и связанное с ней опреснение морской воды. Опреснение позволяет увеличить запас пресной воды, но есть у него и недостатки. Причем, серьезные. Для опреснения нужно много энергии, и кроме того, в результате образуются отходы концентрированной соленой воды. Последняя, возвращаясь в море, крайне негативно влияет на морскую флору и фауну.
И самым многообещающим решением этого вопроса может стать принципиально новый взгляд на эти отходы. Они могут быть рассмотрены как сырьевой источник очень ценных веществ: лития, магния, урана, обычной соды, кальция, калийных соединений.
Проблемы энергетики − неиссякаемый источник вопросов. Но некоторые из них, похоже, станут вполне разрешимыми, благодаря новым инновационным технологиям. Например, предлагается использовать проточные батареи для сохранения химической энергии в жидком виде и в больших количествах. Это похоже на то, как мы храним уголь и газ.
Позволят сохранять достаточно большие объемы энергии и всевозможные твердые батареи, причем, в дешевых и доступных материалах.
Недавно были также изобретены графеновые конденсаторы большой емкости, с помощью которых можно очень быстро заряжать и разряжать аккумуляторы, совершая многие десятки тысяч циклов. Рассматривают инженеры и другие потенциалы, например, кинетическую энергию в больших маховиках и хранение сжатого воздуха под землей.
Молекулярная структура графена
5. Нанопроволочные литиево-ионные батареи
Такие инновационные батареи будут быстрее проводить полную зарядку и вырабатывать на 30-40% больше электричества, чем сегодняшние литиево-ионные батареи. Все это поможет улучшить рынок электромобилей, а еще позволит хранить солнечную энергию прямо у себя дома. Специалисты предполагают, что уже сейчас и на протяжении ближайших двух лет батареи с кремниевым анодом станут использовать также и в смартфонах.
Настоящий скачок вперед в этой сфере произошел еще в прошлом году. Именно поэтому высока вероятность, что в скором будущем нас ждут важные прорывы, касающиеся использования инновационной технологии дисплеев без экрана. О чем идет речь? О головной гарнитуре виртуальной реальности, бионических контактных линзах, разработке мобильных телефонов для пожилых и слабовидящих людей, о видеоголограммах, не требующих очков и подвижных деталей.
Glyph: футуристический шлем виртуальной реальности
7. Лекарства для кишечной микрофлоры человека
В последнее время выяснилось, что кишечная микрофлора влияет на развитие множества заболеваний − от инфекций и ожирения до диабета и воспалений пищеварительного тракта.
Всем известно, что антибиотики разрушают кишечную микрофлору, вызывая такие осложнения, как инфекции от бактерии Clostridium difficile, а иногда и угрожая жизни человека. Поэтому сегодня во всем мире ведутся клинические исследования. В результате удалось обнаружить группы микробов в здоровом кишечнике. Эти микробы помогут создать лекарства нового поколения, а те, в свою очередь, помогут улучшить лечение кишечной микрофлоры человека.
Это тоже лекарства нового поколения. Получить их позволят достижения в исследовании рибонуклеиновых кислот (РНК). С помощью этих препаратов удастся разбавить присутствующий в чрезмерных количествах натуральный белок и станет возможным производить в естественных условиях организма оптимизированные лекарственные протеины.
Лекарства на основе РНК будут производить уже созданные частные фирмы, но в сотрудничестве с крупными фармацевтическими компаниями и научными центрами.
9. Прогнозная аналитика
Смартфоны — инновационные технологий, в которых содержится невероятное количество информации о деятельности людей, как владельцев этих смартфонов, так и их знакомых (списки контактов, регистрация вызовов, GPS, Wi-Fi, фотографии с привязкой к местности, данные по загрузкам, используемые нами приложения и т.д.) помогут строить детальные прогнозные модели о людях и их поведении.
Все это, по мнению специалистов, должно служить благой цели − например, городскому планированию, назначению индивидуальных лекарств, медицинской диагностике.
Инновационная технология Управлять компьютером только силой мысли − совсем не фантазия. Более того, это куда ближе к реальности, чем мы привыкли думать. Интерфейсы «мозг-компьютер» (когда компьютер считывает и интерпретирует сигналы непосредственно из головного мозга), уже проходят клинические испытания. А главное − уже есть неплохие результаты. Нужны они, впрочем, не для увеселения, а для людей с ограниченными возможностями. Например, для тех, кто страдает квадриплегией (параличом рук и ног), синдромом изоляции, людям, перенесшим инсульт, и передвигающимся на инвалидной коляске. Интерфейс «мозг-компьютер» способен на многое. С его помощью человек сможет управлять, скажем, роботизированной рукой для того, чтобы пить, есть и делать многое другое. А еще, мозговые имплантаты способны частично восстановить зрение.
Специально для раздела РИА Наука >>
Стивен Перлберг (Steven Perlberg)
Всемирный экономический форум, известный своей ежегодной встречей в швейцарском Давосе, опубликовал новый доклад, в котором обозначены главные технологические тенденции текущего года.
«Технологии стали, пожалуй, величайшим проводником перемен в современном мире, — пишет предприниматель Нубар Афеян (Noubar Afeyan). - Без риска здесь никогда не обходится, но позитивные технологические прорывы обещают дать новаторские решения самых неотложных мировых проблем современности — от нехватки ресурсов до глобальных изменений окружающей среды».
«Выдвигая на передний план самые важные технологические достижения, Совет стремится повысить информированность об их потенциале и способствовать закрытию брешей в инвестициях, регулировании и общественных представлениях», — отмечает он.
Ниже приводится краткое описание новейших технологий, на которые следует обратить внимание в этом году, - от носимой электроники до интерфейсов «мозг-компьютер».
1. Приспособленная к телу носимая электроника
Полиция Нью-Йорка тестирует "умные" очки Google Glass В распоряжении полицейских есть несколько устройств, с помощью которых проверяется, как можно использовать подобную технику для решения повседневных задач. По данным СМИ, полицейские могут применять Google Glass для распознавания лиц, получения данных из архивов, записи видео и подготовки отчетов.«Среди этих практически невидимых устройств есть наушники-вкладыши, следящие за частотой сердечных сокращений, датчики под одеждой, контролирующие осанку, временные татуировки, отслеживающие работу жизненно важных органов, и тактильные подошвы, показывающие дорогу по GPS путем вибрации, которую человек ощущает ступнями ног.
У этой техники есть масса самых разнообразных применений: тактильные подошвы предлагается использовать в качестве поводыря для слепых, а Google Glass уже носят онкологи, поскольку это устройство помогает им в проведении операций, показывая медицинские данные и прочую визуальную информацию по голосовым командам.
2. Наноструктурированные графитные композитные материалы
Загрязняющие атмосферу автомобильные выхлопы от быстро растущего парка автомашин вызывают все большую озабоченность у экологов. Поэтому повышение рабочей эффективности транспорта является многообещающим направлением для снижения общего воздействия загрязнений.
Новые методы наноструктурирования углеродного волокна для новейших композитных материалов демонстрируют возможность снизить вес автомобилей на 10% и более. Легкой машине нужно меньше топлива, в связи с чем повысится коэффициент полезного действия при перевозке людей и товаров и снизится выброс в атмосферу парниковых газов».
3. Добыча металлов в концентрате морской воды при опреснении
Запасы пресной воды продолжают уменьшаться, и в связи с этим одним из решений проблемы стало опреснение морской воды. Но у опреснения есть серьезные недостатки. Оно требует большого количества энергии, и кроме того, в результате образуются отходы в виде концентрированной соленой воды, которая при возвращении в море оказывает серьезное негативное воздействие на морскую флору и фауну.
Пожалуй, самым многообещающим решением этой проблемы может стать новое отношение к этому концентрату, если смотреть на него не как на отходы производства, а как на сырьевой источник очень ценных веществ. Среди них литий, магний и уран, а также обычная сода, кальций и калийные соединения.
4. Хранение электричества в промышленных масштабах
Есть признаки того, что многие новые технологии помогут нам вплотную подобраться к решению ряда проблем. Некоторые из них, скажем, проточные батареи, в будущем смогут сохранять в жидком виде и в больших количествах химическую энергию, подобно тому, как мы храним уголь и газ.
Различные твердые батареи тоже позволят сохранять достаточно большие объемы энергии в довольно дешевых и доступных материалах. Изобретенные недавно графеновые конденсаторы большой емкости дают возможность очень быстро заряжать и разряжать аккумуляторы, совершая многие десятки тысяч циклов. Есть и другие варианты, скажем, использование потенциала кинетической энергии в больших маховиках и хранение сжатого воздуха под землей.
5. Нанопроволочные литиево-ионные батареи
2014 год: каким научным идеям пора в отставку Известные ученые составили свой список популярных научных идей, которые потеряли свою актуальность в свете новейших исследований и современных взглядов.Эти батареи нового поколения способны быстрее проводить полную зарядку и вырабатывать на 30-40% больше электричества, чем сегодняшние литиево-ионные батареи. Это поможет преобразить рынок электромобилей и позволит хранить солнечную электроэнергию в домашних условиях. Вначале в ближайшие два года батареи с кремниевым анодом станут использовать в смартфонах.
6. Дисплей без экрана
В этой области значительный и стремительный прогресс был достигнут в 2013 году. Похоже, в ближайшее время нас ждут важные прорывы в размерно варьируемом применении дисплеев без экрана. Различные компании добиваются серьезных успехов в этой области. Речь идет о головной гарнитуре виртуальной реальности, о бионических контактных линзах, о разработке мобильных телефонов для пожилых и слабовидящих людей, а также о видеоголограммах, не требующих очков и подвижных деталей.
7. Лекарства для кишечной микрофлоры человека
Сейчас большое внимание уделяется кишечной микрофлоре и ее роли в возникновении различных заболеваний — от инфекций и ожирения до диабета и воспалений пищеварительного тракта.
Стало понятно, что лечение антибиотиками приводит к разрушению кишечной флоры и вызывает такие осложнения, как инфекции от бактерии Clostridium difficile. А в некоторых случаях осложнения могут даже создать угрозу жизни человека. С другой стороны, сейчас ведутся клинические исследования группы микробов, обнаруженных в здоровом кишечнике, которые помогут создать лекарства нового поколения с целью совершенствования процесса лечения кишечной микрофлоры человека.
8. Лекарства на основе РНК
Достижения в исследовании рибонуклеиновых кислот (РНК) и в технологиях синтеза в живом организме позволяют создать лекарства нового поколения на основе РНК. Эти лекарства смогут разбавить присутствующий в чрезмерных количествах натуральный белок и позволят производить в естественных условиях организма оптимизированные лекарственные протеины. В сотрудничестве с крупными фармацевтическими компаниями и научными центрами создан ряд частных фирм, которые будут разрабатывать лекарства и лечение на основе РНК.
9. Познай себя (прогнозная аналитика)
В смартфонах содержится огромное количество информации о деятельности людей, в том числе тех, кого они знают (списки контактов, приложения социальных сетей), с кем общаются (регистрация вызовов, регистрация текстовых сообщений, электронная почта), куда ходят (GPS, Wi-Fi фотографии с привязкой к местности) и что делают (используемые нами приложения, данные по нагрузкам).
Используя эту информацию, а также специальные алгоритмы машинного осмысления, можно строить детальные прогнозные модели о людях и об их поведении. Это поможет в работе по городскому планированию, в назначении индивидуальных лекарств, в учете будущих потребностей и в медицинской диагностике.
10. Интерфейсы «мозг-компьютер»
Возможность управлять компьютером исключительно силой разума ближе к реальности, чем вы думаете. Интерфейсы «мозг-компьютер», в которых компьютер считывает и интерпретирует сигналы непосредственно из головного мозга, уже проходят клинические испытания и демонстрируют неплохие результаты. Они позволят людям, страдающим квадриплегией (паралич рук и ног), синдромом изоляции и тем, кто перенес инсульт, передвигаться в своей инвалидной коляске и даже пить кофе из чашки, управляя роботизированной рукой при помощи мозговых волн. Кроме того, мозговые имплантаты помогают частично восстановить зрение тем, кто утратил его.
