Перспективные технологии: итоги и прогнозы

<< Вернуться

Электронные дисплеи

Дисплеи, проецирующие изображение на сетчатку (Virtual Retinal Display, VRD)

Устройства, позволяющие при помощи лазерного луча малой мощности проецировать изображение непосредственно на сетчатку глаза, являются весьма перспективным направлением развития электронных дисплеев, особенно в плане использования в мобильных устройствах. Благодаря небольшим размерам и отсутствию громоздкого экрана, лазерный проектор можно встраивать в экипировку (очки, шлемы и т.д.). Кроме того, важным преимуществом данной технологии является возможность формировать изображение, угловые размеры которого практически не отличаются от максимального угла зрения.

Изображение в VRD-устройствах формируется последовательно при помощи устройства развертки: луч лазера с большой скоростью «прорисовывает» строки изображения аналогично тому, как это происходит в лазерном принтере.

В настоящее время существуют прототипы VRD-дисплеев, обеспечивающие возможность проецирования монохромных и многоцветных изображений с разрешающей способностью порядка 800x600 пикселов. По мнению экспертов, полноценное применение данной технологии в коммерческих устройствах станет возможным при достижении уровня разрешающей способности порядка 4000x3000-8000x6000 пикселов.

OLED- и LEP-дисплеи

OLED и LEP — родственные технологии, позволяющие создавать излучающие электронные дисплеи на базе люминесцирующих материалов.

OLED (Organic Light Emitting Diode) — это светодиоды на основе органических материалов. Первыми проводить исследования в этой области начали сотрудники компании Eastman Kodak.

LEP (Light Emitting Polymer) — это светоизлучающие полимеры, впервые синтезированные учеными Кембриджского университета. Впоследствии разработками в данном направлении стала заниматься компания Cambridge Display Technology.

Схема устройства OLED-дисплея

Принципиальное отличие OLED- и LEP-дисплеев от устройств на базе ЖК-технологии заключается в использовании органических веществ, излучающих свет под воздействием электрического поля (в ЖК-дисплеях свет, излучаемый лампой подсветки, проходит через ячейки ЖК-матрицы и светофильтры). Благодаря этой особенности в OLED- и LEP-дисплеях нет необходимости применять лампу подсветки, поляризующие пленки и ряд других компонентов, являющихся обязательными элементами ЖК-устройств. За счет более простой структуры OLED-дисплеи можно сделать чрезвычайно тонким и легкими. Кроме того, они могут работать от меньшего (по сравнению с ЖК) напряжения, обладают низким уровнем энергопотребления и выделяют незначительное количество тепла.

По качеству изображения OLED-технология также превосходит ЖК, обеспечивая более высокие яркость и контрастность, а также очень большой эффективный угол обзора (до 180° как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости) без заметных искажений цветопередачи. При этом полноцветные OLED-дисплеи имеют цветовой охват на уровне хороших ЭЛТ-мониторов и обеспечивают значительно более точное воспроизведение цветов, чем современные модели ЖК-мониторов.

Использование люминесцирующих материалов позволит в перспективе сделать апертуру пиксела OLED-дисплея практически равной 1 (то есть эффективная площадь пиксела будет равна его полной площади), что в принципе невозможно в случае ЖК-технологии. Дополнительным преимуществом OLED-дисплеев является чрезвычайно малое время реакции пикселов (у существующих прототипов — порядка десятков микросекунд), причем практически не зависящее от температуры (в отличие от ЖК-дисплеев, OLED- и LEP-устройства не «замерзают» при низкой температуре).

OLED-технология особенно привлекательна для создания дисплеев небольшого размера, поскольку имеет значительно больший (по сравнению с ЖК) потенциал для увеличения разрешающей способности (на нынешнем этапе — до нескольких сотен пикселов на дюйм).

В настоящее время на базе технологий OLED и LEP технически возможно создание монохромных, многоцветных и полноцветных дисплеев с активной либо пассивной матрицей.

У OLED- и LEP-дисплеев есть ряд недостатков, которые пока ограничивают сферу их применения в серийно выпускаемых устройствах. В частности, органические молекулярные и полимерные светоизлучающие материалы быстро разрушаются под воздействием содержащегося в воздухе кислорода и водяных паров, поэтому для обеспечения приемлемой (с точки зрения коммерческого использования) долговечности необходима полная герметизация начинки дисплейной панели. Кроме того, органические светоизлучающие материалы постепенно деградируют в процессе работы — это проявляется в уменьшении их эффективности (падении яркости при заданном напряжении питания) и изменении спектральных характеристик. Одним из наиболее актуальных на данный момент направлением работы в области совершенствования OLED- и LEP-дисплеев является создание более долговечных излучающих материалов.

В настоящее время OLED- и LEP-дисплеи находятся на начальной стадии коммерциализации. В ряде серийно выпускаемых устройств (в цифровых индикаторах, автомагнитолах, портативных медиаплеерах, сотовых телефонах и пр.) применяются OLED- и LEP-дисплеи с небольшим размером экрана. OLED-дисплеи с большим размером экрана (до 40 дюймов по диагонали) пока существуют только в виде экспериментальных и выставочных прототипов. Внедрение данных технологий в компьютерных мониторах и бытовых дисплейных панелях ожидается в течение ближайших 5 лет.

Прототип 40-дюймового OLED-дисплея,
созданного инженерами Samsung Electronics

3D-дисплеи на базе ЖК

К настоящему моменту разработано несколько различных технологий производства дисплеев, позволяющих создавать у пользователя правдоподобную иллюзию объемного (трехмерного) цветного изображения без применения вспомогательных средств (очков и пр.).

Нужного эффекта можно достичь, оснастив обычный ЖК-дисплей так называемым параллакс-барьером (например, пленкой с чередующимися непрозрачными вертикальными полосками и узкими прозрачными зазорами между ними). В том случае, если шаг полосок параллакс-барьера равен ширине двух пикселов, то при отклонении в одну сторону от осевой линии монитора наблюдатель сможет видеть только четные столбцы пикселов, а при отклонении в другую — нечетные. Изменяя расстояние между экраном монитора и параллакс-барьером, можно добиться того, чтобы правый глаз наблюдателя воспринимал изображение, сформированное нечетными столбцами пикселов, а левый — четными. Если вывести на экран такого монитора специальным образом подготовленную стереограмму (в которой будут через один перемежаться столбцы пикселов изображений левого и правого ракурсов), то у зрителя возникнет иллюзия трехмерности.

Параллакс-барьер может быть как пассивным (пленка с непрозрачными полосками), так и активным элементом (монохромная ЖК-панель). В последнем случае монитор можно сделать универсальным: с выключенным параллакс-барьером он будет работать в обычном, двумерном режиме, а при активации параллакс-барьера — в трехмерном.

Принцип действия параллакс-барьера, расположенного с внешней стороны дисплейной панели

Несколько лет назад специалисты Philips Research Redhill разработали собственный вариант конструкции 3D-монитора на базе ЖК-панели, в котором вместо параллакс-барьера используется массив миниатюрных цилиндрических линз.

ЖК-мониторы, позволяющие воспроизводить
трехмерные изображения без применения
вспомогательных средств, уже есть в продаже

Решения, позволяющие пользователю наблюдать объемное цветное изображение без вспомогательных средств (специальных очков и т.п.), уже реализованы в ряде серийно выпускаемых ЖК-дисплеев NEC, Philips, Sharp и ряда других. Правда, сфера применения подобных устройств пока остается довольно ограниченной — они предназначены главным образом для показа рекламных материалов в крупных торговых центрах. Одной из основных проблем, препятствующих широкому распространению 3D-мониторов, является отсутствие простых в применении и при этом недорогих программных средств, позволяющих создавать изображения и видео в трехмерном виде.

Принцип действия активного параллакс-барьера между ЖК-панелью и лампой подсветки

Электронные чернила (e-ink)

Технология электронных чернил разработана компаниями E Ink и Philips. В ходе многолетних исследований ученым удалось создать новый тип устройств визуализации информации — электрофоретические отражающие дисплеи. Такие устройства обладают оптическими и механическими характеристиками, схожими с обычной бумагой. Базовыми элементами электрофоретических дисплеев являются микрокапсулы, диаметр которых не превышает толщину человеческого волоса. Внутри каждой микрокапсулы находится большое количество пигментных частиц двух цветов: положительно заряженные белые и отрицательно заряженные черные, а все внутреннее пространство микрокапсулы заполнено прозрачной жидкостью.

Принцип работы электрофоретического отражающего дисплея

Слой микрокапсул расположен между двумя рядами взаимно перпендикулярных гибких электродов (сверху прозрачных, а снизу — нет), образующих адресную сетку. При подаче напряжения на два взаимно перпендикулярных электрода в точке их пересечения возникает электрическое поле, под действием которого в расположенной между ними микрокапсуле группируются пигментные частицы. Частицы с одним зарядом собираются в верхней части микрокапсулы, а с противоположным — в нижней. Для того чтобы поменять цвет точки экрана с белого на черный или наоборот, достаточно изменить полярность напряжения, поданного на соответствующую пару электродов. Таким образом, пиксел экрана, соответствующий данной микрокапсуле, окрасится в черный либо в белый цвет; при этом пигментные частицы, сгруппированные в верхней части микрокапсулы, скроют от наблюдателя все частицы, сосредоточенные в ее нижней части.

Так выглядит изображение на экране
электрофоретического дисплея

Дисплеи на базе электронных чернил способны сохранять изображение на экране даже при отсутствии электропитания (подача напряжения на управляющие электроды необходима лишь для переключения состояния пиксела), что наряду с отсутствием лампы подсветки обеспечивает очень низкий уровень энергопотребления. Такие дисплеи являются отражающими и обеспечивают хорошую читаемость изображения практически под любым углом и при любом освещении. В качестве подложки для создания дисплеев на основе электронных чернил можно использовать различные материалы: стекло, пластик, металлическую фольгу, ткань и даже бумагу. Уже созданы прототипы подобных дисплеев, изготовленных на гибкой подложке.

iRex iLiad (Electronic Reader ER 0100) —
одно из первых серийно выпускаемых устройств,
оснащенных отражающим электрофоретическим
дисплеем компании E Ink

Основными недостатками дисплеев на базе электронных чернил являются большое время переключения пикселов (0,5-1 с) и ограниченное количество воспроизводимых оттенков (существующие прототипы позволяют отображать лишь четыре оттенка серого).

В настоящее время технология электронных чернил, обеспечивающая создание монохромных отражающих дисплеев, находится на начальной стадии коммерциализации. В 2006 году были выпущены первые серийные устройства для чтения электронных книг, оснащенные дисплеями на базе электронных чернил, произведенных компанией E Ink. По словам разработчиков, в будущем станет возможным создание подобных дисплеев, позволяющих воспроизводить и цветные изображения.

Дисплеи на базе бистабильных ЖК-структур (ChLCD и PABN LCD)

По мере роста популярности и многообразия портативных электронных устройств производители проявляют все больший интерес к дисплеям на базе бистабильных ЖК-структур. В отличие от традиционных ЖК-дисплеев, в таких устройствах используются микроструктуры, способные в течение длительного времени находиться в одном из двух устойчивых состояний даже при отсутствии внешнего электрического поля (отсюда и название «бистабильные»). В одном из этих состояний ячейка на основе жидкого кристалла пропускает свет, а в другом — нет. Для переключения ячейки из одного состояния в другое применяется внешнее электрическое поле, возникающее при подаче напряжения на пару управляющих электродов. Объединив множество бистабильных ячеек в двумерный массив, можно создать дисплей с очень высокой разрешающей способностью (порядка нескольких сотен и даже тысяч пикселов на дюйм).

Монохромная дисплейная панель ChLCD,
выпускаемая компанией LC-TEC Displays

По своим свойствам подобные дисплеи во многом схожи с вышеописанными устройствами на базе электронных чернил. Они обладают очень низким уровнем энергопотребления и способны сохранять изображение на экране при отключении питания. Как и в случае дисплеев на базе электронных чернил, существенным их недостатком является большое (порядка 1 с) время переключения состояния пиксела, что делает невозможным отображение видео. Используя бистабильные ЖК-структуры, можно создавать монохромные и цветные дисплеи — как оснащенные подсветкой, так и без нее.

USB-накопитель A-Data Show Me Disk,
оснащенный монохромным дисплеем
на базе технологии ChLCD

Начиная с 1993 года работы в области создания дисплеев на базе холестерических жидких кристаллов (Cholesteric Liquid Crystal Display, ChLCD) ведет компания Kent Displays. Технология ChLCD позволяет создавать как монохромные, так и цветные дисплеи различных размеров. Разработкой и производством монохромных дисплейных панелей на базе бистабильных ЖК-структур занимается также шведская компания LC-TEC Displays.

Основными сферами применения монохромных дисплеев с использованием бистабильных ЖК-структур являются портативные электронные устройства, а также информационные табло, вывески и т.д.

В настоящее время технология ChLCD находится в стадии коммерциализации — монохромные дисплеи данного типа используются в ряде серийно выпускаемых изделий. Например, во второй половине 2005 года компания A-Data выпустила портативные флэш-накопители, оснащенные небольшими монохромными дисплеями (на которых отображается имя диска и количество оставшегося свободного места), а в числе экспонатов CeBit 2006 была представлена даже SD-карта с дисплеем.

Прототип цветного дисплея, созданного
по технологии PABN LCD специалистами
одной из лабораторий НР

Развитием одной из разновидностей данной технологии, позволяющей создавать цветные дисплеи с высокой разрешающей способностью, занимается группа ученых расположенной в Бристоле (Великобритания) лаборатории НР. Данная технология, получившая название PABN LCD (Post-Aligned Bistable Nematic LCD), уже на нынешнем уровне развития позволяет создавать цветные дисплеи с разрешающей способностью порядка 200-400 ppi (что вполне сопоставимо с детальностью отпечатков цветных лазерных принтеров начального уровня).

SED

Группа из трех родственных технологий — FED (Field Emission Display), SED (Surface-conduction Electron-emitter Display) и NED (Nanotube Emissive Display) — является качественно новой ступенью развития дисплеев на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Как и в случае ЭЛТ, изображение на экранах дисплеев перечисленных типов формируется за счет свечения люминофора, возбуждаемого потоком электронов. Правда, в отличие от ЭЛТ, оснащенной тремя электронными пушками, лучи каждой из которых при помощи отклоняющей системы последовательно пробегают по строкам экрана, в SED-дисплеях применяются малогабаритные источники электронов (молибденовые конусы диаметром всего около 200 нм), массивы которых расположены в каждой из ячеек экрана. (В NED-устройствах в качестве источников электронов используются углеродные нанотрубки.)

Принцип работы SED-дисплея

Применение большого количества миниатюрных источников электронов позволяет сделать дисплеи значительно более тонкими, легкими и экономичными по сравнению с устройствами на базе ЭЛТ. При этом SED-, FED- и NED-дисплеи обладают многими достоинствами систем на базе ЭЛТ: высоким уровнем яркости и контраста изображения, большим углом обзора, широким цветовым охватом и высокой точностью цветопередачи, а также незначительной инерционностью изображения.

Использование большого количества источников электронов (до нескольких тысяч на каждый пиксел) позволяет обеспечить высокую надежность дисплейных панелей — в отличие от ЖК-мониторов, где выход из строя транзистора, управляющего одним из субпикселов, автоматически означает появление «мертвого» (или залипшего) пиксела на экране.

Определенным недостатком дисплеев рассматриваемых типов является сложность их производства. По этой причине выпуск таких устройств будет рентабельным лишь при изготовлении панелей с относительно большим размером экрана (50 дюймов и более).

В настоящее время технология SED находится на пороге коммерциализации. Появление первых серийно выпускаемых дисплейных панелей, произведенных совместным предприятием Canon и Toshiba, ожидается в 2007 году.

Оптические накопители

Голографическая запись

В отличие от оптических дисков традиционной конструкции (CD, DVD и т.д.), голографические носители позволяют использовать для хранения данных всю толщину записывающего слоя. Если запись на дорожке CD- и DVD-дисков производится последовательно, бит за битом, в одном измерении, то голографическая технология позволяет применять все три измерения рабочего слоя носителя и осуществлять параллельное считывание или запись массива битов (так называемых страниц), сохраняемых в слое носителя в виде интерференционных картин (голограмм).

Использование данной технологии позволяет значительно увеличить как удельную емкость носителей, так и скорость чтения/записи. Существующие прототипы, работающие с дисковыми носителями, обеспечивают возможность записи нескольких сотен гигабайт данных на одном носителе диаметром 120-130 мм. Кроме того, на базе голографической технологии можно создавать накопители, работающие с компактными карточками емкостью от нескольких единиц до нескольких десятков гигабайт.

Запись данных в голографическом накопителе

Чтение данных в голографическом накопителе

Технология голографической записи находится на начальной стадии коммерциализации. Ведущие разработчики голографических накопителей — японская компания Optware и американская InPhase Technologies — уже выпускают небольшие серии голографических накопителей для профессиональных цифровых видеозаписывающих систем, используемых в телевизионных студиях. Внедрение голографических накопителей в обычных ПК и бытовых устройствах пока не планируется.

Голографический привод и носитель,
созданные в компании InPhase Technologies

Видеопроигрыватели формата HD

В 2006 году в продаже появились первые серийные модели бытовых проигрывателей, позволяющих воспроизводить видеосигнал формата высокой четкости (Full HD) — 1920x1080 пикселов с прогрессивной разверткой. Речь идет главным образом о моделях, созданных на базе оптических приводов формата HD-DVD и Blu-ray Disc. Однако в настоящее время цены как на сами проигрыватели, так и на фильмы, записанные в формате высокой четкости, остаются слишком высокими, что в значительной степени препятствует росту их популярности. Кроме того, спрос на видеопроигрыватели высокой четкости во многом будет зависеть от того, появятся ли на рынке мультиформатные устройства и носители (подробнее об этом см. в статье «Оптические накопители: настоящее и будущее», опубликованной в данном номере журнала).

Многослойные оптические носители для приводов на базе красного лазера (HD VMD)

Многослойные оптические носители HD VMD (High Definition Versatile Multilayer Disc) для систем на базе красного лазера, разрабатываемые компанией New Medium Enterprises (NME), являются альтернативой приводам на базе сине-фиолетового лазера (в частности, HD-DVD и Blu-ray Disc), обеспечивая сравнимую емкость диска при значительно меньшей стоимости считывающих устройств и ROM-носителей. Увеличение емкости оптического носителя в данном случае достигается за счет увеличения количества информационных слоев при сохранении такой же ширины дорожки и размера питов, как и в обычных DVD. Согласно информации разработчиков NME, созданная ими технология может формировать до 20 слоев в одном носителе, что дает возможность наращивать емкость до 100 Гбайт (по 5 Гбайт на слой). Стоит отметить, что для изготовления слоев ROM-носителей подходит технология инжекционного литья, широко используемая при промышленном тиражировании носителей CD-ROM и DVD-ROM. Подробнее о ней рассказывается в вышеупомянутой статье «Оптические накопители: настоящее и будущее».

Появление первых серийно выпускаемых устройств с поддержкой HD VMD ожидается в 2007 году.

Интерфейсы «человек — компьютер»

Автоматизированный синхронный перевод

Автоматизация синхронного перевода (Speech-to-Speech Translation) — одна из самых «застарелых» новинок в компьютерной индустрии. Когда-то писателям-фантастам возможность разговора с компьютером казалась столь очевидной и естественной, что первые вычислительные машины, лишенные голосового интерфейса, воспринимались как нечто неполноценное. Но решить эту задачу не удалось до сих пор и в обозримом будущем вряд ли удастся.

Однако по ходу дела было создано несколько технологий, получивших практическое применение. Можно выделить три вида синхронного перевода: достоверное распознавание живой речи, машинный перевод и синтез речи по тексту. Пока более или менее сносно выполняется лишь последняя задача  — роботизированная речь успешно используется во многих областях деятельности, хотя хуже воспринимается человеком, чем живая, особенно при передаче по каналам телефонной связи, то есть как раз там, где она сегодня наиболее востребована. Серьезные успехи достигнуты и в области машинного перевода, но до полного решения этой задачи еще далеко. Результаты работы над автоматическим распознаванием живой речи и преобразованием ее в текст еще скромнее  — определенный прогресс достигнут лишь при распознавании с голоса специализированных текстов с ограниченным словарем.

Но, как ни печально, даже если все составляющие технологии синхронного перевода достигнут уровня промышленного использования (считается, что для этого достаточно точности в 95-98%), то задача в целом все равно не будет решена, так как получить верный перевод не удастся. Сначала часть смысла потеряется на этапе распознавания речи, затем свою погрешность внесет автоматизированный переводчик (причем работать он будет с уже искаженным текстом, так что не сможет выйти даже на достигнутую точность), а в результате робот бесстрастным голосом произнесет что-то уже совсем несуразное… Причем в настоящее время все эти задачи решаются различными, порой даже взаимоисключающими методами и алгоритмами.

Таким образом, данная технология остается уделом фантастики, однако в процессе работы над ней началось практическое применение распознавания голосовых команд в телефонах и синтеза речи в справочных службах.

Распознавание речи для мобильных устройств

Распознавание речи в мобильных устройствах — более локальная задача, решение которой необходимо прежде всего для голосового управления функциями телефона в условиях ограниченного применения других интерфейсов. Пользователи уже получили возможность голосового набора в мобильных телефонах вместо ввода длинного ряда цифр или выбора из меню по заранее определенным ключевым словам. Но разработчики идут дальше — управляющие команды могут модулироваться в некотором диапазоне, чтобы не зависеть от голоса оператора. В этой области уже достигнуты серьезные успехи, а многомодальные интерфейсы комбинируют ввод речи с синтезом возможных ответов или уточнений.

Тем не менее даже в самых продвинутых современных мобильных устройствах, которые обеспечивают независимое от говорящего распознавание речи (то есть пользователь не должен создавать образцы команд), аппарат имеет ограниченные возможности и пользователь вынужден выбирать команды из ограниченного списка.

Более широкое использование подобных технологий для управления устройствами или ввода текста (например, для посылки SMS-сообщений в сотовых телефонах) будет зависеть от успехов в области распознавания живой речи. Кроме того, дальнейшее развитие технологий распознавания речи возможно в том случае, если потребуется идентификация пользователя для обеспечения безопасности там, где по каким-либо причинам неудобно использовать другие средства идентификации.

Разработками в области распознавания речи для мобильных устройств занимаются такие компании, как Conversay, Nuance Communications, Sensory, VoiceSignal и др.

Поиск на естественном языке

Как известно, запросы к поисковым системам традиционно формулируются не на естественном языке, а на формализованном языке запросов, синтаксис и особенности которого зависят от конкретной поисковой системы.

Однако с расширением аудитории пользователей (сегодня число пользователей Интернета в мире уже превысило 1 млрд человек) разработчики все чаще задумываются над созданием технологии поиска на естественном языке, при котором поисковая система не требовала бы формализации запроса, а разбирала бы вопросы, заданные на обычном языке, и выдавала ответы, основанные на значении фраз, а не на отдельных ключевых словах. Причем эта технология в дальнейшем будет использоваться не только при введении текста запроса, но и при распознавании речи, то есть поиск будет осуществляться прямо с голоса.

Для этого потребуются такие же обработка и распознавание естественного языка, как и для систем машинного перевода.

В прошлых прогнозах утверждалось, что технология поиска на естественном языке будет готова к коммерческому использованию через 2-5 лет, но сейчас уже очевидно, что, как и для других областей, связанных с распознаванием человеческой речи, такие сроки слишком оптимистичны. Более реальные сроки начала промышленного применения таких систем теперь отодвинуты на 5-10 лет, поскольку составляющие технологии все еще недоработаны. Кроме того, сегодня определился очевидный лидер в области поисковых систем — компания Google, и пока она не предложит обработку естественного языка поисковых запросов, серьезных подвижек в этой области не будет.

Над созданием поисковых систем на естественном языке сегодня работают такие компании, как EasyAsk, IBM (iPhrase Technologies), InQuira и Knova Software.

Распознавание речи на ПК

В отличие от подобных технологий для мобильных устройств, системы распознавания речи для ПК, благодаря большей мощности настольных компьютеров, способны более детально интерпретировать человеческую речь и переводить ее не только в ограниченный набор команд, но и в связный текст. В идеале компьютер должен воспринимать диктуемые фразы и автоматически переводить их в текст вместо привычного набора с клавиатуры. Однако пока достаточно надежно использование таких систем реализовано лишь для управления некоторыми функциями интерфейса.

Несмотря на серьезные трудности, успехи в распознавании речи все же достигнуты, хотя в основном они касаются только диктовки узкоспециализированных текстов (главным образом, технических, медицинских, юридических и деловых). Впрочем, широкого распространения эти технологии пока не получили даже в тех областях, где разработчики добились заметного успеха.

Более перспективным способом применения подобных решений сегодня считается разработка интерфейсов с голосовым управлением на основе диалога, которые будут обладать большими возможностями, нежели аналогичные разработки для мобильных устройств.

Работу в этой области ведут такие компании, как IBM (российская компания Cognitive Technologies, достигшая значительных успехов в области распознавания печатных текстов, в 2001 году сообщила о совместном проекте с Intel по созданию систем распознавания русской речи), Microsoft, Nuance Communications и Philips Speech Processing.

Цифровое перо

Цифровые ручки (Digital Pens) имеют встроенные датчики, которые захватывают и переводят движение пера в цифровую форму, благодаря чему пользователь может создать образец своего почерка в компьютере. Некоторые модели таких ручек могут работать на обычной бумаге, другие — только на специальных планшетах или сетках, облегчающих определение формы.

Подобные изделия сегодня применяются в основном для быстрого сохранения электронной копии бумажного оригинала (что может рассматриваться как временное решение), но в недалеком будущем их можно будет использовать для распознавания рукописной записи и перевода ее в печатный текст.

Из производителей цифровых ручек можно отметить такие компании, как Anoto, Hewlett-Packard, Pegasus Technologies и Standard Register.

Распознавание рукописного текста

Системы распознавания рукописного текста (преобразования рукописного письма в соответствующий печатный текст или команды в режиме реального времени) наконец вступают в область зрелых, готовых к широкому применению технологий.

Несколько преждевременно появившись на рынке в ранних КПК (где они использовались большей частью в сильно формализованном виде, поэтому для надежного распознавания приходилось писать специальными значками типа стенографических), эти технологии вызвали некоторое разочарование, но сейчас, спустя десять лет, они могут получить применение в таких устройствах, как Tablet PC и Ultra Mobile PC (UMPC). Реально работающие технологии рукописного ввода уже широко используются в таких отраслях, как почта, финансовые операции и заполнение каких-либо стандартизованных форм.

Из лидеров в области рукописного ввода можно отметить такие компании, как IBM, Microsoft, Nuance Communications и Paragon Software.

Машинный перевод

Автоматический перевод с одного языка на другой (Machine Translation) уже получил широкое распространение, однако пока он позволяет понять лишь общий смысл текстов и не годится для документов, требующих точного и высококачественного перевода.

Из последних достижений систем автоматизированного перевода можно отметить внедрение статистических подходов, которые позволяют машинным переводчикам постепенно обучаться и использовать для коррекции перевода огромные базы текстов, ранее переведенных людьми.

Однако пока системы машинного перевода по-прежнему применяются только для черновых работ, для оценки общего смысла контента на web-страницах, а также там, где стоимость человеческого перевода неоправданно высока.

Основными производителями систем машинного перевода в мире являются компании IBM, Language Weaver, SDL International и Systran. В России в этой области работают такие компании, как «Промт» и ABBYY.

Синтез речи

Успехи в области преобразования текста в живую речь (Text-to-Speech, Speech Synthesis) в последнее время особенно впечатляют. Несмотря на то что роботизированный звуковой поток все еще можно отличить от человеческой речи, применение синтеза речи ни у кого уже не вызывает отторжения, хотя, согласно многочисленным исследованиям, при бесстрастном и лишенном эмоциональной окраски произнесении текстов часть смысла теряется. Сегодня системы синтезированной речи могут прочитать SMS-сообщение на телефоне и электронную почту, озвучить указания автомобильной навигационной системы и даже заменить во многих службах оператора-человека.

Основными производителями систем синтеза речи в мире являются компании Acapela, AT&T, Fonix, IBM, Loquendo, Nuance, Sensory и SVOX AG.

Распознавание жестов

Системы распознавания жестов являются одним из способов реализации интерфейса для ввода информации и управляющих команд в ПК. Как правило, подобные системы включают аппаратные средства, преобразующие образы жестов в цифровой вид, и программные компоненты, осуществляющие собственно распознавание образов.

Наиболее распространенными сегодня являются варианты реализации подобных систем, выполняющие распознавание жестов по графическому образу. В этом случае изображение с видеокамеры, подключенной к ПК, передается в специализированную программу, которая осуществляет поиск изображений рук (головы, тела и т.д.) пользователя и, сопоставляя их очертания с эталонными образами, хранящимися в базе данных, выполняет распознавание жестов. С каждым из эталонных образов может быть ассоциирована определенная команда (символ, последовательность символов и т.д.), которая при корректном распознавании соответствующего жеста передается операционной системе или определенному приложению. В зависимости от реализации программного компонента система распознавания жестов может быть настроена на восприятие движения рук, головы, глаз, губ и т.д.

На протяжении уже нескольких лет технологии распознавания жестов по графическому образу используются в ряде специализированных программных продуктов, а также в некоторых компьютерных играх.

Существует и принципиально иной вариант воплощения данной технологии, позволяющий распознавать жесты по траектории движения. В этом случае аппаратная часть системы реализована в виде специальных манипуляторов, оснащенных датчиками ускорения (акселерометрами). При перемещении манипулятора датчики фиксируют направление и скорость его перемещения и передают эту информацию в компьютер. Программный компонент системы осуществляет распознавание жестов, анализируя траекторию движения.

По мнению ряда специалистов, в будущем системы распознавания жестов по траектории движения будут широко применяться в портативных электронных устройствах, дополняя такие более привычные устройства ввода, как клавиатура и сенсорный экран.

Данная технология находится на начальной стадии коммерциализации. В начале 2005 года компания Samsung Electronics выпустила мобильный телефон SCH-S310, оснащенный системой распознавания жестов по траектории движения. Эта функция позволяет осуществлять ввод цифр, а также нескольких часто используемых управляющих команд. Например, для того чтобы ввести какую-либо цифру, достаточно начертить ее в пространстве рукой, в которой находится телефон.

Интерфейс «мозг — компьютер»

Устройства, позволяющие вводить данные и передавать команды компьютеру силой мысли, существуют не только на страницах научно-фантастических романов. В ряде исследовательских лабораторий ведутся работы по реализации подобных интерфейсов, и ученым уже удалось добиться первых успехов. На выставке CeBit 2006 сотрудники немецкого института Fraunhofer продемонстрировали действующий прототип экспериментального устройства, позволяющего в буквальном смысле силой мысли вводить символы и управлять движением курсора на экране компьютера. Аппаратная часть прототипа представляет собой специальный шлем, в который вмонтировано 128 датчиков (подобных используемым для снятия электроэнцефалограммы), считывающих биотоки мозга. Работа с этим устройством требует определенной тренировки и пока не отличается высокой скоростью: например, для того чтобы набрать одно предложение, подготовленному пользователю понадобится от 5 до 10 минут.

В настоящее время работы в области создания интерфейса «мозг — компьютер» находятся на стадии научных исследований и создания первых экспериментальных прототипов. По мнению экспертов, внедрение подобных интерфейсов в коммерческих устройствах станет возможным не ранее чем через 10 лет.

Технологии на замену кремния

DNA Logic

DNA Logic — это технология ДНК-вычислений, представляющая собой раздел области молекулярных вычислений, который находится на границе молекулярной биологии и компьютерных наук. Основная цель ДНК-вычислений — построение новой парадигмы вычислений, создание новых алгоритмов вычислений на основе знаний о строении и функциях молекулы ДНК и операциях, которые выполняются в живых клетках над молекулами ДНК при помощи различных ферментов.

На основе ДНК-вычислений ведется разработка биологического нанокомпьютера, который можно будет вживлять в клетку организма и производительность которого будет исчисляться миллиардами операций в секунду при энергопотреблении не более одной миллиардной доли ватта.

История ДНК-вычислений началась в 1994 году, кода Леонард М. Эдлман (Leonard M.Adleman) поставил первый эксперимент, продемонстрировавший их возможности и преимущества. Более подробно об эксперименте Эдлмана и технологии ДНК-вычислений можно прочитать в статье «ДНК-логика как основа биокомпьютера», опубликованной в этом номере журнала.

В настоящее время ДНК-вычисления все еще находятся на стадии лабораторных исследований, так что создание биологического компьютера станет возможным не ранее чем через 30 лет. Именно поэтому DNA Logic находится на графике Hype Cycle в самом начале пути.

Molecular Transistors

Производство транзисторов в традиционном виде, то есть со стоком, истоком и затвором, возможно лишь до 2020 года. К тому времени размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Таким образом, 2020 год — это фактически тот рубеж, когда закон Мура (в том виде, в каком он существует сейчас) перестанет действовать, а кремний потеряет свою актуальность как основной материал микроэлектроники. Значит, уже сейчас следует искать принципиально новые материалы и технологии для создания транзисторов будущего.

В числе перспективных направлений рассматриваются такие, как молекулярные транзисторы, транзисторы на основе спиновых волн электронов, ферроэлектрические транзисторы, транзисторы на основе интерференции волн и пр. Конечно, пока невозможно представить, как именно будут выглядеть транзисторы лет через пятнадцать, но ясно одно: это будут устройства с молекулярными размерами, абсолютно не похожие на существующие ныне CMOS-транзисторы.

В самом общем виде под молекулярным транзистором понимают транзистор размером с одну молекулу. Идея молекулярных транзисторов не нова. Еще в 1959 году Ричард Фейнман высказал идею, согласно которой молекулы, обладающие определенными свойствами, смогут работать как элементарные переключатели и заменить собой транзисторы.

Молекулярный транзистор — это молекула, которая может существовать в двух устойчивых состояниях с разными свойствами. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, магнитного поля и т.д., формируя двухбитную систему, воспроизводящую на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

Размеры молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых транзисторов, а его эффективность может оказаться в 100 млрд раз выше по сравнению с современным кремниевым.

Создание молекулярных транзисторов в настоящее время находится на стадии лабораторных исследований.

Еще в 1974 году исследователи из компании IBM представили вещество, молекула которого обладала теми же свойствами, что и обычный диод. Пропуская ток в одном направлении, введением дополнительного, управляющего фрагмента она могла быть усовершенствована до своеобразного молекулярного транзистора. Соединив две такие молекулы, можно получить абсолютный аналог полупроводникового триггера — основного элемента современных процессоров. «Переключать» же данное устройство, имитируя состояния бита — 0 и 1, возможно с помощью света или электрического поля.

Впрочем, вскоре ученые поняли, что копировать традиционный процессор совсем необязательно. Ведь теоретически в качестве бита годится любая двухуровневая система, которую относительно легко можно перевести из одного состояния в другое. Молекул же, меняющих свою структуру при определенном физико-химическом воздействии, известно немало. Например, спиробензопирены «переключаются» в другое состояние под действием ультрафиолета, а обратно — с помощью обычного света. На основе подобных структур возможно построение не только логических элементов, но и устройств памяти. Соединять же молекулярные триггеры можно, используя либо углеродные нанотрубы, либо разработанные недавно токопроводящие полимеры (за их открытие в 2000 году группе ученых была вручена Нобелевская премия).

В 2001 году исследовательская группа из «Лабораторий Белла», изучавшая свойства так называемых тионов — органических веществ со свойствами полупроводников, получила органическую молекулярную структуру, преобразующую логический ноль в единицу и обратно. Размер канала этого органического транзистора равен длине одной молекулы, то есть 1-2 нм. Молекулярный транзистор из тиона в 10 раз меньше всех полупроводниковых приборов, созданных по самым совершенным технологиям. Группа ученых приступила к созданию модулей ИС из молекулярных транзисторов на основе тионов.

Успешно работающий прототип преобразователя напряжения позволяет предположить, что с помощью молекулярных транзисторов удастся создать микропроцессоры и чипы памяти с плотностью элементов в 1000 раз большей, чем позволяют современные технологии.

И хотя молекулярные транзисторы сейчас кажутся нам фантастикой, первые молекулярные схемы уже существуют и в текущем десятилетии должно начаться их серийное производство. Первый же полноценный молекулярный компьютер появится, по прогнозам экспертов, не ранее 2015 года.

Quantum Computing

Как известно, вычислительная мощность процессоров постоянно возрастает. Но, несмотря на постоянное увеличение производительности процессоров, многие задачи оказываются не по силам даже самым мощным суперкомпьютерам. Рассмотрим, к примеру, задачу о разложении целого числа х на простые множители. Очевидный способ — это попробовать разделить x на числа от 2 до Ц-x. Если число x имеет n знаков в двоичной записи, то придется перебрать 2 n/2 вариантов. Существует, правда, хитроумный алгоритм, решающий ту же задачу за exp(cn1/3) шагов, но даже в этом случае с задачей разложения на простые множители числа, имеющего миллион знаков, не справится ни один современный компьютер (для этого потребовалось бы время, превышающее возраст Вселенной).

Существует, однако, другой способ ускорить процесс вычисления для некоторых специальных классов задач. Речь идет о создании квантовых компьютеров с совершенно иной логикой вычислений.

Кроме разложения числа на простые множители, квантовые компьютеры позволяют эффективно решать такие задачи, как неупорядоченный поиск в базе данных или симулирование квантовых систем, состоящих из большого количества частиц, непосильные для обычных компьютеров. Например, для расчета одного атома азота средствами традиционного компьютера потребуется время порядка возраста Вселенной.

Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты, или кубиты (от quantum bit, qubit). Кубит напоминает обычный бит, который может принимать всего два значения: 0 или 1, но, в отличие от обычного бита, кубит подчиняется законам квантовой механики и для него применим принцип суперпозиции состояний.

В качестве кубита может использоваться любая квантовая частица (то есть частица, подчиняющаяся квантовым законам), обладающая двумя базовыми состояниями: 0 и 1 (аналогично обычному биту). К примеру, кубитом может быть спин электрона, который направлен вверх (состояние 0) или вниз (состояние 1). Другой пример кубита — основное и возбужденное состояние атома, направление тока в сверхпроводящих кольцах, спины атомного ядра и др.

Как мы уже отмечали, для кубита применим квантовый принцип суперпозиции состояний. Данный принцип довольно трудно понять человеку, не посвященному в законы квантовой механики, но на простейшем уровне его можно описать так. Кроме двух базовых состояний (0 или 1), кубит может находиться и в промежуточных состояниях, то есть одновременно (в один и тот же момент времени) с некоторой долей вероятности быть в состоянии 1 и в состоянии 0. Представить это свойство квантовой частицы невозможно. Быть одновременно в двух своих ипостасях — такое не удавалось даже Фигаро. Но таковы законы микромира, хоть они и непостижимы для обычного человека.

Это свойство квантовых частиц обеспечивает параллелизм квантовых вычислений, что делает их для ряда задач эффективнее используемых сейчас технологий. Например, если квантовая память состоит из двух кубитов, то можно синхронно работать со всеми ее состояниями: 00, 01, 10, 11.

Логические операции над кубитами реализуются при помощи специальных активных элементов, называемых «квантовыми вентилями». Скорее всего, логика квантового компьютера будет идентична классической, однако за счет суперпозиции квантового бита теоретически вполне обоснованно и введение новых, не имеющих классических аналогов операций.

Первые теоретические работы по квантовой электронике появились всего 20 лет назад, и с тех пор квантовые вычисления стали быстро эволюционировать. К примеру, разработчикам из группы профессора Марка Эриксона из Университета шт. Висконсин в Мэдисоне удалось смоделировать архитектуру квантового компьютера на основе кремниевой технологии. Они смогли создать массив квантовых точек в кремниево-германиевом полупроводнике, в каждой из которых находился один-единственный электрон. Для кодирования кубита использовался спин электрона. Управление кубитами осуществлялось при помощи электростатических затворов, при «открытии» которых появляется возможность как горизонтального, так и вертикального туннелирования электрона. На построенном прототипе будущего квантового компьютера ученым удалось решить несколько элементарных задач.

Российский ученый М.В.Фейгельман из Института теоретической физики им. Л.Д.Ландау предложил использовать в качестве кубита квантового регистра крошечные сверхпроводящие кольца. В этом случае состояниям 0 и 1 будет соответствовать направление тока в кольце: по или против часовой стрелки.

Переключаться же кубиты могут магнитным полем. Учитывая успехи последних лет в области высокотемпературной сверхпроводимости, описанная схема представляется весьма перспективной.

Стоит обратить внимание и на идею И.Чанга, предложившего использовать спины сложных органических молекул для построения квантовой вычислительной машины. Работы в этой области уже дали ощутимые практические результаты. Так, в конце прошлого года группа ученых из компании IBM и Стэнфордского университета продемонстрировала реализацию алгоритма Шора факторизации чисел при помощи созданного ими семикубитового квантового компьютера. Хотя решенная ими задача — разложение числа 15 на простые множители (3 и 5) — кажется несерьезной, данный успех является важной вехой в развитии квантовой электроники.

Техническая реализация описываемого устройства весьма оригинальна. Квантовый компьютер представляет собой пробирку с жидким органическим веществом, молекулы которой имеют семь ядерных спинов. Программирование производится при помощи электромагнитных импульсов разной частоты, а для получения результатов работы используется ЯМР-сканер (ЯМР — ядерно-магнитный резонанс). Помимо решения простейшей задачи о факторизации, экспериментально на ЯМР-квантовых компьютерах были осуществлены алгоритм Гровера, квантовое Фурье-преобразование, квантовая коррекция ошибок, квантовая телепортация, квантовое моделирование и другие операции. Однако ввиду ряда неразрешимых проблем квантовые компьютеры на молекулах органической жидкости никогда не смогут иметь число кубитов больше 10. Поэтому их следует рассматривать лишь как прототипы будущих квантовых вычислительных систем, полезные для отработки принципов квантовых вычислений и проверки квантовых алгоритмов.

Углеродные нанотрубки

Современная микроэлектроника вплотную приблизилась к атомарному рубежу, то есть типичные размеры транзисторов (например, толщина оксидной пленки или размер затвора) составляют несколько десятков атомных слоев. Дальнейшее уменьшение размеров транзисторов становится все более проблематичным, поэтому многие компании активно занимаются разработкой альтернативных технологий. К одной из таких перспективных технологий можно отнести использование в производстве транзисторов карбоновых (углеродных) нанотрубок (Carbon Nanotube).

Углеродные нанотрубки, которые также называют фуллеренами или углеродными каркасными структурами, — это большие молекулы, состоящие только из атомов углерода. Принято даже считать, что эти молекулы представляют собой новую форму углерода, наряду с известными формами — графитом и алмазом. Если подходить к понятию фуллеренов формально, то можно сказать, что это аллотропные молекулярные формы углерода, в которых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников.

В конце 80-х — начале 90-х годов фуллерены научились получать в макроскопических количествах, а в 1991 году неожиданно были открыты новые фуллерены, напоминающие длинные цилиндрические каркасные формы, — их назвали нанотрубками. В поперечном сечении их размер обычно составляет несколько нанометров, в то время как по длине они могут достигать гигантских размеров — вплоть до миллиметра.

Визуально структуру таких нанотрубок можно представить следующим образом: это графитовая плоскость (то есть плоскость, в которой атомы углерода упакованы по типу графита), из которой вырезана длинная полоска, свернутая в цилиндр. Этот цилиндр и представляет собой карбоновую нанотрубку.

Структура полевого транзистора на основе нанотрубки

Очевидно, что от того, каким образом из графитовой плоскости вырезается полоска, будет зависеть степень скрученности нанотрубки, которая оказывает значительное влияние на ее электрические свойства. Не углубляясь в теорию кристаллических структур, отметим лишь, что степень скрученности нанотрубки определяет ее зонную структуру и взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости на энергетической диаграмме. Оказывается, при определенной скрученности нанотрубка будет обладать электронной проводимостью по типу металлов. Во всех остальных случаях нанотрубки являются полупроводниками и между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона с шириной от нескольких десятых до единиц электрон-вольт (эВ). Причем чем меньше диаметр нанотрубки, тем больше ширина запрещенной зоны.

Одно из интересных применений нанотрубок — это создание полевых транзисторов, в которых роль канала проводимости выполняет именно нанотрубка. Напомним, что полевые транзисторы являются фундаментом современной микроэлектроники и вполне возможно, что в скором будущем процессоры будут формироваться из миллиардов мельчайших транзисторов на основе нанотрубок.

В традиционном полевом транзисторе канал переноса носителей заряда (дырок и электронов), который представляет собой область между стоком и истоком, обогащенную основными носителями заряда, образуется в подзатворной области под действием электрического поля, возникающего при приложении напряжения к затвору. Меняя напряжение на затворе, можно управлять каналом переноса (концентрацией носителей заряда в подзатворной области). При этом, как правило, рассматриваются два состояния полевого транзистора: открытое и запертое. В открытом состоянии существует канал переноса заряда, и под воздействием напряжения между стоком и истоком возникает электрический ток. В запертом состоянии канала переноса нет и тока между стоком и истоком не возникает.

Принцип действия полевого транзистора на основе нанотрубки подобен принципу действия традиционного транзистора, но каналом переноса заряда в данном случае является сама нанотрубка.

В простейшем случае транзистор с нанотрубкой выглядит так, как показано на рисунке. На подложку из кремния, которая сама является управляющим электродом (затвором), наносится тончайшая пленка защитного слоя — оксида кремния. На этой пленке расположены сток и исток в виде тонких проводящих рельсов, между которыми располагается сама нанотрубка с полупроводниковой проводимостью. В обычном состоянии концентрация свободных носителей зарядов (дырок и электронов) в нанотрубке мала, то есть она является диэлектриком. Зона проводимости в данном случае отделена от валентной зоны запрещенной зоной шириной в несколько электрон-вольт. Однако при помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны меняется и концентрация свободных носителей зарядов увеличивается. В этих условиях нанокарбоновая трубка становится проводником. Электрическое поле, управляющее проводимостью нанокарбоновой трубки, создается затвором, которым, как уже отмечалось, является кремниевая подложка. При потенциале затвора порядка 6 В концентрация свободных носителей заряда в валентной зоне достигает максимума и нанотрубка становится хорошим проводником. Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки и соответственно открывать или запирать транзистор.

Первой компанией, изготовившей в 2001 году транзистор на нанотрубках, стала IBM. С тех пор было разработано множество альтернативных схем транзисторов с нанотрубками. К примеру, в компании Samsung была создана схема транзистора с вертикальным расположением нанотрубок.

Конечно, пройдет еще немало времени, прежде чем транзисторы на основе нанотрубок будут внедрены в массовое производство, однако уже сейчас становится очевидным, что они имеют массу преимуществ в сравнении с традиционными и будут востребованы в ближайшем будущем.

Другое интересное применение нанотрубок — это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory). Первой данный тип памяти реализовала компания Nantero (www.nantero.com/). В предложенной ею схеме на кремниевую подложку наносится тонкая изолирующая пленка оксида кремния, вдоль которой размещены токопроводящие электроды шириной в 130 нм, отделенные друг от друга изолирующими слоями. Над электродами перпендикулярно к ним расположены массивы нанотрубок, которые замыкаются с обеих сторон на проводящие контакты. В обычном состоянии (состояние OFF) нанотрубки не касаются электродов и находятся над ними на высоте порядка 13 нм. Если к нижнему электроду приложить напряжение, то нанотрубка под воздействием электрического поля начнет выгибаться и коснется нижнего электрода. Однако такое состояние (состояние ON) оказывается устойчивым за счет баланса между возникающим механическим напряжением и ван-дер-ваальсовыми силами. В результате даже после исчезновения напряжения форма нанотрубки не изменится. Таким образом, меняя напряжение на электроде, можно переходить между двумя стабильными механическими состояниями нанотрубок, в одном из которых имеется контакт с электродом, а в другом — нет. Одно из этих состояний будет отвечать логическому нулю, а другое — логической единице.

Для того чтобы прочитать содержимое элементарной ячейки памяти, между нижним электродом и контактом, к которому подсоединены нанотрубки, отвечающие выбранной ячейке памяти, подается напряжение. Если ячейка памяти находится в состоянии OFF, при котором нет физического контакта между электродом и нанотрубкой, то электрическая цепь оказывается разомкнутой и напряжение будет высоким, что соответствует логической единице. Если же ячейка памяти находится в состоянии ON, то есть имеется контакт между нанотрубкой и нижним электродом, то цепь замыкается и напряжение будет низким, что соответствует логическому нулю.

В сравнении с традиционными типами памяти, память NRAM имеет ряд преимуществ. Во-первых, несмотря на то, что это RAM-память, она является энергонезависимой. Во-вторых, по утверждениям компании Nantero, плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд бит на квадратный сантиметр (в несколько раз больше, чем в современных микросхемах памяти), а частота работы памяти — до 2 ГГц.

К настоящему времени компания Nantero выпустила модуль NRAM-памяти емкостью 10 Гбит. Массовое производство модулей NRAM-памяти, вероятно, начнется через год-два.

Перспективные технологии памяти

Полимерная память (PFRAM)

Полимерная память (Polymer Memory) относится к категории флэш-памяти и может использоваться для энергонезависимого хранения данных. По оценкам аналитиков, удельный объем такой памяти, отнесенный к одному квадратному сантиметру площади, почти в 20 раз больше, чем у обычной флэш-памяти. Разработки этого типа памяти ведут многие компании, в частности компания Intel в содружестве с Thin Film Electronics — дочерней компанией шведской фирмы Opticom, впервые предложившей полимерную память еще в 1994 году. Специалистами Thin Film Electronics получена специфическая группа полимеров с двумя стабильными состояниями поляризации. Это позволяет программировать память путем изменения поляризации пленки сегнетоэлектрического полимера, заключенной между взаимно перпендикулярными металлическими шинами, и обеспечивает энергонезависимость памяти.

Пленка полимера может содержать и тонкопленочные транзисторы схем управления. Возможность формирования многослойных структур полимерной памяти позволяет получить ранее недостижимый объем памяти. Если для функционирования обычной кремниевой схемы памяти объемом 1 Гбит требуется 1,5-6,5 млрд транзисторов, то для памяти PFRAM-типа такого же объема их нужно только 500 тыс. При этом объем полимерной памяти размером с кредитную карту эквивалентен объему 400 тыс. CD-дисков или объему устройства, хранящего достаточно данных для воспроизведения музыки MPG-формата в течение 126 лет. При этом увеличение емкости памяти за счет нанесения дополнительных полимерных пленок не влечет за собой существенного увеличения потребляемой мощности.

Специалисты Intel считают, что PFRAM найдут применение в первую очередь в картах памяти цифровых фотокамер и другом бытовом оборудовании. Но прежде всего необходимо решить проблему обработки термочувствительного материала в условиях полупроводникового производства. И на вопрос, когда же начнется массовое производство PFRAM, можно ответить, что при удачном стечении обстоятельств не раньше чем в 2010 году.

PRAM

PRAM — это новый тип памяти, позиционируемый как универсальная замена и динамической, и флэш-памяти. В качестве признака состояния ячейки предлагается использовать изменение фазового состояния халькогенида (chalcogenide) — вещества, способного под воздействием нагрева и электрических полей переходить из непроводящего аморфного состояния в проводящее кристаллическое. Такая память известна также как «память с изменением фазового состояния» (phase change memory, PCM), PRAM и Ovonic Unified Memory. Она является энергонезависимой, то есть не требует электропитания для сохранения своего состояния.

Наряду с материалами, описывающими возможные перспективы производства мультигигабитных чипов PCM по 45- или 32-нм процессу, компания ST представила прототип 128-мегабитного чипа PCM, изготовленный по 90-нм технологии. К преимуществам PRAM-памяти относятся малая площадь ячейки, хорошие электрические характеристики и высокая надежность.

До сих пор халькогениды применялись в основном в перезаписываемых оптических носителях, где использовалась их способность к изменению не только электрических, но и оптических свойств, а коммерческая реализация PCM была затруднена из-за проблем с получением достаточно качественного материала и с энергопотреблением. Возрастание интереса к этому типу памяти связано с тем, что PCM лучше подходит для применения вместе с более «тонкими» литографическими техпроцессами, чем динамическая или флэш-память.

MRAM

MRAM (Magnetic Random Access Memory) — это один из перспективных типов энергонезависимой памяти, которая может прийти на смену как динамической оперативной памяти DRAM, так и статической памяти SRAM и флэш-памяти.

Вместо конденсаторов, применяемых в микросхемах DRAM, технология MRAM предусматривает использование тонкой магнитной пленки. В привычных нам микросхемах памяти информация сохраняется благодаря формированию соответствующим образом распределенного заряда конденсаторов, а в устройствах MRAM это будет осуществляться за счет намагничивания пленки.

Одно из преимуществ новой технологии заключается в том, что, в отличие от DRAM, память MRAM является энергонезависимой. В микросхемах DRAM информация хранится в конденсаторах, и при отключении питания происходит ее потеря. Это означает, что для длительного хранения информацию необходимо переписывать на жесткий диск, имеющий магнитную поверхность. Благодаря энергонезависимости память MRAM позволяет преодолеть это ограничение. Таким образом, при отключении питания не пропадет ни бита.

Применение эффекта магнитной поляризации вместо электрического заряда подразумевает отсутствие необходимости периодического обновления памяти MRAM. Таким образом, отпадает надобность и в загрузке компьютера в начале каждого сеанса работы. Пользователи получат в свое распоряжение устройства постоянной готовности. Времени на их включение уйдет не больше, чем на включение телевизора.

Еще одно преимущество памяти MRAM состоит в том, что она обеспечивает заметное сокращение расхода энергии батарей. Ведь, в отличие от микросхем SRAM и DRAM, здесь не требуется постоянного энергоснабжения.

Технология MRAM выглядит многообещающей. Конечно, пройдет еще немало времени, прежде чем память MRAM появится в коммерческих системах. Но если данная технология будет развиваться в правильном направлении, то со временем она вытеснит с рынка микросхемы DRAM.

Собственно, первоначально прогнозировалось, что первые образцы MRAM-памяти появятся на рынке уже в 2004 году, а в 2005-м спрос на память составит 40 млрд долл. Именно такие прогнозы делались в 2001 году.

Однако производство MRAM-памяти до сих пор не вышло на уровень массового, серийного, хотя периодически делаются анонсы о разработке новых типов MRAM-памяти различными компаниями. Совсем недавно фирма Freescale Semiconductor сообщила о начале выпуска чипов нового типа MRAM-памяти, пригодных для коммерческого использования.

FeRAM

Ferroelectric RAM (FeRAM) — это тип сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти, который может стать альтернативой DRAM- и SRAM-памяти.

Впервые работающий образец FeRAM был получен еще в 1992 году в лабораториях компании Symetrix. С тех пор такая память вызывает пристальное внимание со стороны индустрии. Достаточно сказать, что с 1992-го по 2002 год по данной теме было выдано свыше 360 патентов, что свидетельствует о всевозрастающем интересе к этой нише сегнетоэлектриков и, главное, к их практическому применению.

Основными элементами ячеек FeRAM памяти являются сегнетоэлектрические транзисторы (ferroelectric transistor) и конденсаторы (ferroelectric capacitor), обладающие переменными ферромагнитными свойствами.

По принципу действия ячейки FeRAM-памяти во многом схожи с ячейками обычной DRAM-памяти. Напомним, что DRAM-память представляет собой массив ячеек, состоящих из одного конденсатора и управляющего транзистора (схема 1T-1C). Размер ячейки памяти зависит от технологического процесса производства. К примеру, при использовании 90-нм техпроцесса размер ячейки памяти составляет 0,22 мкм2. Данные в ячейке DRAM-памяти ассоциируются с наличием или отсутствием заряда в конденсаторе.

Ячейка FeRAM-памяти подобна ячейке DRAM-памяти в том смысле, что данные в ней ассоциируются с наличием или отсутствием заряда на конденсаторе. Разница заключается в особых свойствах диэлектрика конденсатора, который в FeRAM-памяти обладает ферромагнитными свойствами. Под воздействием приложенного к конденсатору напряжения диэлектрик поляризуется, но после исчезновения напряжения он обладает остаточной поляризацией, что позволяет конденсатору удерживать заряд при отсутствии внешнего питания. Для того чтобы разрядить конденсатор, необходимо приложить к нему отрицательное напряжение. Таким образом, в ферромагнитных диэлектриках зависимость поляризации от приложенного напряжения неодинакова при увеличении и уменьшении напряжения. Это свойство диэлектриков принято изображать в виде петли гистерезиса.

На данный момент выделяют три основных типа ячеек FeRAM-памяти: одноконденсаторная ячейка 1С FeRAM, называемая еще SFRAM (Statically Read Ferroelectric Random Access Memory — аналог SRAM); наиболее распространенная транзисторно-конденсаторная ячейка 1Т-1С FeRAM и наиболее стабильная из всех вышеперечисленных двойная ячейка 2T-2C FeRAM.

Технологии создания элементной базы

Кремниевая фотоника (Optical Silicon)

Optical Silicon, или Silicon Photonic, — это так называемая кремниевая фотоника, то есть научные исследования и разработки, находящиеся на стыке квантовой оптики и кремниевой электроники.

Исследования в области оптических систем связи и оптических цепей начались еще в 1970-х годах — тогда оптические цепи представлялись как некий оптический процессор или супероптический чип, в котором воедино интегрировались и передающее устройство, и модулятор, и усилитель, и детектор, и все необходимые электронные компоненты. Однако практической реализации этой идеи мешало то обстоятельство, что компоненты оптических цепей изготавливались из различных материалов, поэтому интегрировать в единую платформу (чип) на основе кремния все необходимые компоненты было невозможно. Несмотря на триумф кремния в области электроники, его использование в оптике казалось весьма сомнительным.

Изучение возможности применения кремния для оптических цепей ведется на протяжении уже многих лет — со второй половины 1980-х годов. Однако особого прогресса за это время достигнуто не было. По сравнению с другими материалами попытки использования кремния для построения оптических цепей не приносили ожидаемых результатов.

Дело в том, что из-за особенностей структуры запрещенной зоны кристаллической решетки кремния рекомбинация зарядов в нем приводит в основном к тепловыделению, а не к излучению фотонов, что не позволяет применять его для создания полупроводниковых лазеров, являющихся источниками когерентного излучения.

При всех сложностях использования кремния в качестве материала для оптических цепей в последнее время в этом направлении наметились существенные сдвиги. Как выяснилось, легирование кремния эрбием (Er) изменяет структуру запрещенной зоны таким образом, что рекомбинация зарядов сопровождается излучением фотонов, то есть появляется возможность использовать кремний для получения полупроводниковых лазеров. Первый коммерческий лазер на основе легированного кремния был создан компанией ST Microelectronics. Перспективным также является применение полупроводниковых перестраиваемых лазеров, продемонстрированных компанией Intel еще в 2002 году. Такие лазеры используют в качестве резонатора интерферометр Фабри-Перо и излучают на нескольких частотах (многомодовый режим). Для выделения монохроматического излучения служат специальные внешние фильтры на основе дифракционных решеток (дисперсионные фильтры).

Получаемая система лазера с внешним дисперсионным резонатором позволяет перестраивать длину волны излучения. Традиционно для получения требуемой длины волны применяется прецизионная настройка фильтров относительно резонатора. В корпорации Intel смогли создать перестраиваемый лазер, в котором вообще отсутствуют подвижные части. Он состоит из недорогого многомодового лазера с решеткой, внедренной внутрь волновода. Изменяя температуру решетки, можно настраиваться на определенную длину волны, то есть осуществлять переключение между отдельными модами лазера.

В феврале 2004 года компания Intel сделала очередной прорыв в области кремниевой фотоники, создав первый в мире кремниевый оптический фазовый модулятор на частоте 1 ГГц. Впоследствии, в апреле 2005 года, компания Intel продемонстрировала модулятор, функционирующий уже на частоте 10 ГГц.

В феврале 2005 года компания Intel объявила об очередном технологическом прорыве — создании кремниевого лазера непрерывного действия на эффекте Рамана.

В нем впервые удалось избежать эффекта двухфотонного поглощения излучения, точнее не самого явления двухфотонного поглощения, а его негативного последствия — поглощения излучения на образующихся свободных электронах.

Для того чтобы устранить негативное последствие поглощения излучения на свободных электронах, образующихся в волноводе в результате двухфотонного поглощения, кремниевый волновод размещался между двумя затворами. Если между этими затворами создать разность потенциалов, то под воздействием электрического поля свободные электроны и дырки будут «вытягиваться» из кремниевого волновода, устраняя тем самым негативные последствия двухфотонного поглощения.

Кремниевый лазер непрерывного действия на основе эффекта Рамана в основе своей предполагает наличие внешнего источника излучения, которое используется в качестве излучения накачки. В этом смысле данный лазер не решает одну из главных задач кремниевой фотоники — возможности интегрировать все конструктивные блоки (источники излучения, фильтры, модуляторы, демодуляторы, волноводы и т.д.) в единый кремниевый чип.

Более того, применение внешних источников оптического излучения (расположенных вне чипа или даже на его поверхности) требует очень высокой точности юстировки лазера относительно кремниевого волновода, поскольку разъюстировка в несколько микрон может привести к неработоспособности всего устройства. Требование прецизионной юстировки не позволяет вывести данный класс устройств на массовый рынок и делает их довольно дорогими. Поэтому проблема выравнивания кремниевого лазера относительно кремниевого волновода является одной из важнейших задач кремниевой фотоники.

Данная проблема может быть решена в случае, если лазер и волновод изготавливаются в одном кристалле в рамках одного технологического процесса. Именно поэтому создание гибридного кремниевого лазера, который был продемонстрирован компанией Intel в 2006 году, можно рассматривать как выход кремниевой фотоники на новой уровень.

Принцип действия такого гибридного лазера довольно прост и основан на излучающих свойствах фосфида индия (InP) и способности кремния проводить свет.

Структура гибридного лазера показана на рисунке. Фосфид индия, выполняющий функцию активного вещества полупроводникового лазера, расположен непосредственно над кремниевым волноводом и отделен от него тончайшим слоем диэлектрика (его толщина составляет всего 25 атомных слоев) — оксида кремния, который является прозрачным для генерируемого излучения. При приложении напряжения между электродами возникает поток электронов по направлению от отрицательных электродов к положительным. В результате через кристаллическую структуру фосфида индия проходит электрический ток. При этом в результате процесса рекомбинации дырок и электронов возникают фотоны, то есть излучение, которое попадает непосредственно в кремниевый волновод.

Структура гибридного кремниевого лазера

Описанная структура кремниевого лазера не требует дополнительной юстировки лазера относительно кремниевого волновода, поскольку их взаимное расположение реализуется и контролируется непосредственно в ходе формирования монолитной структуры гибридного лазера.

Первый чип, продемонстрированный компанией Intel совместно с Калифорнийским университетом UCSB, содержал в себе семь гибридных кремниевых лазеров.

Создание гибридного кремниевого лазера может иметь далеко идущие последствия для кремниевой фотоники и ознаменовать начало эры высокопроизводительных вычислений.

В недалеком будущем в чип будут интегрироваться десятки кремниевых лазеров, модуляторов и мультиплексор, что позволит создавать оптические каналы связи с терабитной пропускной способностью.

Многоканальные транзисторы

Многоканальные транзисторы (Multigate Transistors) — это транзисторы с принципиально новой геометрией, которая призвана улучшить их эффективность. В плане геометрии идеальной является цилиндрическая форма транзистора (см. рисунок). Один цилиндр, включающий в свой состав канал проводимости и области стока и истока, окружен соосным полым цилиндром из диэлектрического материала, а сверху расположен еще один соосный металлический цилиндр, выполняющий функции затвора. Данная геометрия позволяет минимизировать токи утечки и улучшить все характеристики транзистора.

С целью реализации идеального трехмерного транзистора компания Intel еще в сентябре 2002 года разработала так называемые трехзатворные Tri-gate-транзисторы, которые рассматриваются в качестве основы для 45-нм технологического процесса 2007 года. В транзисторе типа Tri-gate использована новая трехмерная структура, в которой затворы как бы обернуты вокруг трех сторон кремниевого канала.

Модель идеального трехмерного транзистора

 Данная структура позволяет посылать электрические сигналы как по «крыше» транзистора, так и по обеим его «стенам». Благодаря подобной схеме распределения тока эффективно увеличивается площадь, доступная для прохождения тока, следовательно, снижается его плотность, а вместе с ней уменьшается и утечка. Тройной затвор строится на ультратонком слое полностью обедненного кремния, что обеспечивает еще большее снижение тока утечки и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться при значительном снижении энергопотребления. Особенностью этой конструкции также являются поднятые исток и сток — в результате снижается сопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности.

Применение трехмерной архитектуры транзистора позволяет производить многоканальные Tri-gate-транзисторы (Multi-Channel Tri-gate Devices). В таких устройствах используется один трехмерный затвор, который управляет прохождением тока между несколькими парами истоков и стоков, то есть одновременно образует множество каналов. Такая архитектура дает возможность еще больше увеличить плотность размещения транзисторов на кристалле, а кроме того, повысить силу тока в транзисторе, поскольку суммарный ток, проходящий через транзистор, пропорционален количеству пар «исток — сток» в транзисторе.

Рассмотренные структуры Tri-gate- и Multi-Channel Tri-gate-транзисторов — это перспективные разработки, которые, как предполагается, будут востребованы с 2007-го по 2013 год.

EUV-литография (EUV Lithography)

Как известно, одним из важнейших этапов в производстве микросхем является литографический процесс. Литография — это технология, применяемая для нанесения рисунка будущей микросхемы на слой фоторезиста посредством специальных литографических масок. Важнейшей характеристикой литографического процесса является его разрешающая способность, обусловливающая минимальную толщину линии, которую можно нанести на фоторезисте.

В современном производстве процессоров используется проекционная литография, в которой применяются линзы или зеркала, позволяющие проецировать рисунок маски-шаблона с уменьшением масштаба.

Разрешающая способность проекционной литографии, то есть минимальная толщина линии, которую можно получить на фоторезисте, определяется критерием Релея:

RES = k₁(/NA),

где l — длина волны источника излучения, NA — числовая апертура объектива, а k₁ — коэффициент пропорциональности, зависящий от типа фоторезиста и самого технологического процесса.

Числовая апертура объектива проекционной установки в простейшем случае с одной линзой определяется по формуле:

NA = D/2f,

где D — диаметр выходного отверстия объектива, f — фокусное расстояние объектива.

Из формулы для разрешающей способности оптической литографии следует, что лучшее разрешение можно получить за счет увеличения числовой апертуры проекционной установки или перехода к источникам излучения с более короткой длиной волны.

Если говорить об источниках излучения, то в современной литографии используется коротковолновое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 248 нм (технологический процесс 350, 250 и 180 нм) и 193 нм (технологический процесс 180, 130, 90 и 65 нм).

Другой, не менее важной характеристикой оптической литографии наравне с разрешающей способностью является глубина резкости. Если разрешающая способность определяет характерный поперечный размер фокусировки, то глубина резкости — характерное расстояние фокусировки в продольном направлении. Глубина резкости находится по формуле:

DOF = k₂(/(NA)²).

Сравнение формул для разрешающей способности и глубины резкости показывает, что при увеличении числовой апертуры происходит снижение разрешения, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению минимально возможной толщины линии, а также глубины резкости, что отрицательно сказывается на литографическом процессе, поскольку требует прецизионного контроля точности. К примеру, чем меньше глубина резкости, тем большую точность необходимо обеспечить при размещении пластины в проекционной установке, чтобы выдержать ее параллельность фокальной плоскости (плоскости фокуса) с точностью до долей микрометра. Так, до недавнего времени глубина резкости, используемая в оптической литографии, составляла 0,5 мкм, что обеспечивало необходимый уровень контроля точности производственного процесса.

Значения коэффициентов пропорциональности k₁ и k₂ не превышают 1. На практике приемлемые значения для k₁ и k₂ определяются экспериментально — они должны обеспечивать требуемый контроль точности. До недавнего времени в оптической литографии использовались значения k₁ и k₂ больше 0,6, что хорошо подходит для массового производства, так как не требует прецизионного контроля точности — обеспечивается требуемый уровень глубины резкости.

На рисунке представлены значения коэффициента k₁ и глубины резкости DOF для литографических процессов с различной разрешающей способностью (с разными длинами волн источников излучения). Зона, соответствующая значению k₁ больше 0,6 и глубине резкости DOF больше 0,5 мкм, обозначена как зона комфорта для процесса изготовления. Видно, что в эту зону попадает лишь литографический процесс с разрешением 350 нм, которому соответствует источник излучения с длиной волны 248 нм.

Из рисунка видно, что все технологические процессы, за исключением 350-нанометрового, лежат вне зоны комфорта, то есть для них глубина резкости менее 0,5 мкм, а значение k₁ менее 0,6, причем для 65-нанометрового литографического процесса значения k₁ и DOF наихудшие, что, естественно, сильно осложняет технологический процесс производства.

Для того чтобы сделать возможным литографический процесс при столь малых значениях глубины резкости и коэффициента k₁, применяют различные технологии улучшения разрешающей способности, например маски-шаблоны с фазовым сдвигом.

Следующий технологический процесс, промышленное внедрение которого намечено на 2007 год, имеет уже топологическую норму 45 нм. Правда, для того чтобы достичь такой разрешающей способности, ухищрений типа фазосдвигающих масок или иммерсионной литографии уже недостаточно — необходим переход на более коротковолновое излучение. Литография с использованием источников излучения с длиной волны 248 и 193 нм получила название DUV (Deep UltraViolet — глубокое ультрафиолетовое излучение). А для литографии с проектной топологией 45 и 32 нм будет применяться уже так называемая ЕUV-литография (Extreme UltraViolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), которая основана на использовании ультрафиолетового излучения с длиной волны 13,5 нм.

Значения k₁ и DOF для различных литографических процессов при NA = 0,6 и k₁ = k₂

EUV-литография была признана консорциумом International Roadmap of Semiconductor Technology самой перспективной технологией литографии следующего поколения, которая будет реализована после нынешнего поколения инструментов литографии с длиной волны 193 нм.

Переход с DUV- на EUV-литографию обеспечивает более чем 10-кратное уменьшение длины волны и переход в диапазон, где свойственные транзисторам размеры сопоставимы с размерами всего нескольких десятков атомов.

Применяемая сегодня литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 65 нм, в то время как EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины — до 30 нм. Управлять ультракоротким излучением не так просто, как кажется. Поскольку EUV-излучение хорошо поглощается стеклом, новая технология предполагает использование серии из четырех специальных выпуклых зеркал, которые уменьшают и фокусируют изображение, полученное после применения маски. Каждое такое зеркало содержит 80 отдельных металлических слоев толщиной примерно в 12 атомов.

Корпорация Intel и компания Corning Incorporated заключили соглашение о разработке стеклянных основ фотомасок со сверхнизким распространением тепла ULE (low thermal expansion), необходимых для литографии с использованием сверхжесткого ультрафиолетового излучения (Extreme Ultraviolet, EUV). Эти основы требуются для разработки высококачественных фотомасок EUV, позволяющих наладить массовое производство полупроводниковых схем с размером узла 32 нанометра.

В Intel рассчитывают, что благодаря программе совместной разработки инструментов литографии производство микросхем с применением EUV-литографии будет начато уже в 2009 году.

Компактные топливные элементы Топливные элементы — это специализированные химические реакторы, предназначенные для прямого преобразования энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электрическую энергию. Данные устройства имеют по крайней мере два принципиальных отличия от гальванических батарей, также преобразующих энергию протекающих в них химический реакций в электричество. Во-первых, в топливных элементах используются не расходуемые в процессе работы электроды, а во-вторых, необходимые для проведения реакции вещества подаются извне, а не закладываются внутрь элемента изначально (как в обычных батарейках). В отличие от аккумуляторов, заряд которых возобновляется при подключении к внешнему источнику тока, восстановление работоспособности топливных элементов осуществляется путем пополнения запаса компонентов, применяемых для поддержания электрохимической реакции, — топлива и (в некоторых конструкциях) окислителя. Большинство конструкций малогабаритных топливных элементов, создаваемых для использования в портативных ПК и электронных приборах, рассчитаны на применение жидкого углеводородного топлива (в частности, метилового спирта). Принцип работы топливного элемента Появление первых серийно выпускаемых компактных источников питания на топливных элементах, предназначенных для портативных электронных устройств, ожидается в 2007 году. Подробнее о текущем состоянии и перспективах развития данных технологий рассказывается в статье «Накануне энергетической революции» в данном номере журнала.

Иммерсионная литография

Иммерсионная литография — это технология, которая используется для улучшения проекционной литографии. Идея иммерсионной литографии заключается в том, что между маской-шаблоном и кремниевой подложкой используется дополнительная среда — жидкость. Дело в том, что скорость распространения света в веществе всегда меньше скорости распространения света в вакууме и зависит от коэффициента преломления этого вещества. Фактически это равносильно тому, что свет, проходящий через материал с высоким коэффициентом преломления, имеет меньшую длину волны (эффективная длина волны уменьшается в n раз, где n — коэффициент преломления среды), поэтому он может быть сфокусирован более точно.

Методика иммерсионной литографии подразумевает погружение кремниевых пластин в очищенную воду. Применение воды в этом процессе объясняется тем, что она имеет более высокий коэффициент преломления, чем воздух, что, в свою очередь, позволяет добиться увеличения разрешающей способности литографии без изменения длины волны источника излучения.

Пионером в области иммерсионной литографии является компания IBM. В экспериментах IBM с использованием установки, получившей название NEMO, оптика и жидкость имеют коэффициент преломления порядка 1,6; а коэффициент преломления фоторезиста составляет 1,7.

В установке NEMO лазерный луч разделяется на два, а затем эти лучи перекрещиваются, создавая интерференционную картину, или интерферограмму, позволяющую при помощи стандартного процесса иммерсионной литографии добиться более близкого расположения соседних линий на пластине. Опытная установка, по мнению разработчиков, идеально подходит для исследований, испытаний и подбора различных жидкостей с высоким коэффициентом преломления, а также фоторезистов для использования в литографических аппаратах будущего.

С помощью метода погружения специалисты IBM смогли получить четкие выпуклые линии шириной всего 29,9 нм, разделенные одинаковыми пробелами. Полученные проводники примерно втрое меньше применяемых сегодня в рамках серийного 90-нанометрового технологического процесса и меньше, чем позволяет получить 32-нанометровая технология, которая до последнего времени считалась теоретическим пределом для оптической литографии.

Такие компании, как Chartered Semiconductor, IBM, Samsung, Texas Instruments и TSMC, уже объявили о планах по переходу на иммерсионную технологию. По некоторым оценкам, этой технологией уже в 2009-2010 годах может воспользоваться Intel для выпуска чипов на базе 32-нанометрового техпроцесса. Вместе с тем представители Intel подчеркивают, что для выпуска микросхем по 45-нанометровой технологии будет применяться обычная проекционная литография.

В отличие от Intel, тайваньская компания TSMC заявила о намерении внедрить иммерсионные инструменты для производства по 45-нанометровым нормам. В дальнейшем TSMC рассматривает возможность использования иммерсионных технологий для норм 32 нм, электронно-лучевой литографии EUV — для норм 22 нм.

Однако опасения по поводу того, что материалы с высоким показателем преломления, необходимые для эффективной работы иммерсионных инструментов, работающих с источниками света с длиной волны 193 нм, не будут созданы вовремя, в последнее время высказываются все чаще и громче. Эксперты утверждают, что современные 193-нанометровые иммерсионные литографические инструменты, использующие дистиллированную воду (показатель преломления — 1,44), обеспечат производство вплоть до норм 32 нм. Дальнейшие перспективы иммерсии зависят от разработки жидкостей и материалов оптической системы с более высоким показателем преломления, и ряд компаний ведет работу в этом направлении. Утверждается, что уже достигнута величина показателя преломления в 1,64. Однако эти жидкости создают массу нерешенных до сих пор проблем (например, токсичность, способность вступать в химические реакции с кремнием, дороговизна и т.д.), поэтому промышленники все чаще обращают внимание на такие технологии, как электронно-лучевая литография (используемая, в общем-то, уже давно, но не применяемая в массовом производстве из-за малой скорости обработки) и уже упоминавшаяся EUV-литография.

Strained Silicon

Strained Silicon — это технология напряженного кремния, которая используется при производстве современных процессоров для решения проблемы возникающих токов утечки. Впервые она была внедрена в массовое производство компанией Intel в 2003 году в 90-нанометровом технологическом процессе.

Идея данной технологии заключается в следующем. При миниатюризации транзисторов и уменьшении площади их сечения возрастает сопротивление электрическому току, который проходит через транзистор. В результате транзистор срабатывает гораздо медленнее, чем хотелось бы, а тепловыделение, наоборот, увеличивается. Специалисты корпорации Intel решили как бы «растянуть» кристаллическую решетку в транзисторе, чтобы увеличить расстояние между атомами и облегчить протекание тока (см. рисунки).

«Сжатие» и «растяжение» решетки кремния
для NMOS- и PMOS-транзисторов

Известно, что создание напряжений в пространственной решетке — таких, чтобы атомы кремния находились друг от друга на расстоянии чуть большем, чем их естественное расстояние, — приводит к ускорению переключений транзисторов типа NMOS (так же, как «сжатие» пространственной решетки — к аналогичному эффекту в транзисторах типа PMOS). Это «растяжение/сжатие» именуют напряжением. Инженеры корпорации Intel разработали два различных способа для NMOS- и PMOS-транзисторов. В NMOS-транзисторах поверх транзистора в направлении движения электрического тока наносится слой нитрида кремния (Si3N4), вследствие чего кремниевая кристаллическая решетка «растягивается». В PMOS-устройствах за счет нанесения слоя SiGe в зоне образования переносчиков тока решетка «сжимается» в направлении движения электрического тока, а потому так называемый дырочный ток течет свободнее. В обоих случаях прохождение тока значительно облегчается: в первом случае — на 10%, во втором  — на 25%, а соединение обеих технологий дает 20-30% увеличение тока.

Аналогичная технология напряженного кремния используется и в 65-нанометровом технологическом процессе производства. Однако отметим, что при применении в качестве слоя диэлектрика диоксида кремния даже технология напряженного кремния не позволяет успешно бороться с токами утечки, вследствие чего толщина оксидного слоя затвора при 65-нанометровом процессе осталась такой же, как и в 90-нанометровом.

Промышленная струйная печать

Как показали исследования японских ученых, технологию пьезоэлектрической струйной печати можно использовать не только для получения изображений, но и для промышленного производства ряда компонентов электронных устройств. В частности, метод струйной печати может стать альтернативой литографического процесса, применяемого для выполнения ряда ключевых технологических операций при производстве печатных плат и ряда других компонентов (таких, например, как дисплейные панели на базе ЖК и OLED).

Многослойная печатная плата на гибкой подложке,
изготовленная методом промышленной струйной печати

Замена литографического процесса на струйную печать позволяет значительно снизить материалоемкость и энергоемкость производства, а также заметно уменьшить количество отходов (в том числе токсичных и опасных для окружающей среды). Кроме того, применение струйной печати дает возможность снизить себестоимость и сократить время изготовления продукции, особенно при производстве мелких партий и единичных экземпляров изделий.

В настоящее время уже запущены в коммерческую эксплуатацию первые промышленные струйные установки, предназначенные для изготовления многослойных печатных плат, нанесения светоизлучающих материалов и формирования полупроводниковых элементов на подложках дисплейных панелей.

КомпьютерПресс 1'2007