Из музея на передний край: реванш механики

Почему сегодня вдруг опять проявился интерес к механике, от которой, казалось бы, почти полностью, за исключением жестких дисков, ИТ-решения избавились? Посетив Британский музей науки и техники и воочию познакомившись с оригиналами и копиями машин Чарльза Бэббиджа, а также проанализировав книгу Рэя Курцвейла «Сингулярность близка", где механика, но с приставкой «микро» рассматривается как важнейший компонент грядущих технологических изменений, можно выстроить ось между солидным сооружением — высотой с человеческий рост и весом сотни килограммов, снабженным массивной приводной рукояткой, напоминающей старинную мясорубку, — и устройствами, габариты которых измеряются нанометрами.

Микромеханика сегодня может делать не только то, что делает электроника, но и то, на что последняя не способна, например механика может быть полезна там, где внешние условия ограничивают применение полупроводников. Транзистор, выполняющий функцию электронного ключа, строится на основе p-n-переходов (p-n-переходом, где n (negative) — отрицательный, электронный, p (positive) — положительный, дырочный, называют область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p), и его в роли барьера можно сравнить с плотиной, сдерживающей ток воды. Если вдруг температура оказывается выше предельной или повышается уровень радиационного излучения, то эта "плотина" не выдерживает воздействия внешних факторов и разрушается. Механика меньше подвержена подобным воздействиям, поэтому на некоторых летательных объектах долгое время применялись и используются поныне в качестве логических элементов миниатюрные реле.

В компьютерах со времен ENIAC и ABC булева логика и двоичная арифметика реализуются в электронной форме; для представления одного разряда достаточно триггера, способного принимать состояние 0 или 1. Когда-то для этой цели требовалась солидных размеров вакуумная лампа, известная как двойной триод, а сегодня применяется пара крошечных полупроводниковых транзисторов, хотя идея осталась той же и почти все электронные системы хранения данных построены на ней с небольшими вариациями. Но, оказывается, для реализации той же логики можно использовать и механические устройства, во многом близкие машине Бэббиджа, за исключением одного: размеры разные, одно принадлежит макро-, а другое микромиру.

О существовании связи между механическими макро- и микромирами первым говорил американский физик-теоретик Ричард Фейнман в канун 1960 года в лекции "Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики", которую прочитал в Калифорнийском технологическом институте на традиционном рождественском обеде Американского физического общества. В своей лекции Фейнман сказал: "Внизу или внутри пространства, если угодно, располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь, например в 2000 году, люди будут удивляться тому, что до 1960 года никто не относился серьезно к исследованиям этого мира". И далее: "Однако хочется предложить, хотя бы в шутку, и совсем другие методы. Почему бы, например, не производить крошечные компьютеры теми же методами, какими мы производим большие? Почему бы не научиться обрабатывать микроскопические объекты точно так же, как обрабатываются большие изделия: штамповкой, отливкой, сверлением, резкой, пайкой и т. п.?»

Сегодня предсказание Фейнмана начинает сбываться. В зависимости от размеров миниатюрные современные электромеханические системы делят на микронные (Micro Electro-Mechanical Systems, MEMS) и нанометровые (Nano Electro-Mechanical Systems, NEMS). Иногда, говоря NEMS, используют сравнение этих систем с биологическими, подразумевая, что в них применяется ограниченное число "строительных материалов", а разнообразие функциональных свойств достигается за счет их структурной сложности. О какой-либо систематизации технологий для создания NEMS пока говорить преждевременно, в самом общем случае можно выделить два подхода — снизу вверх и сверху вниз. К первому относятся разнообразные методы химической самосборки (chemical self assembly) или процессы CVD (Chemical vapor deposition), где подложка помещается в пары одного или нескольких веществ, которые, вступая в реакцию и/или разлагаясь, производят на поверхности подложки необходимое вещество. Методы второй группы ближе к традиционным литографическим, применяемым для производства полупроводниковых микросхем. Разумеется, возможны разнообразные сочетания обоих подходов.

Первые практические попытки создания MEMS датируются тем же 1960 годом, когда для ВВС США потребовались миниатюрные датчики давления, вскоре их начала выпускать серийно компания Motorola. На уровень бытового применения MEMS вышли в 80-е годы, самым известным приложением стало использование их в качестве акселерометров в подушках безопасности автомобилей, где они обеспечивают не только абсолютную надежность, но и существенное удешевление по сравнению с обычными акселерометрами на пару порядков. Сегодня различного рода датчики на базе MEMS можно встретить в планшетных компьютерах, где они управляют ориентацией экрана, в самокатах Segaway и массе других приборов. Невероятные перспективы ожидают MEMS в медицинской технике, в жестких дисках, в устройствах печати и многом другом.

Несмотря на интересные возможности применения в отдаленом будущем, трудно представить себе широкое распространение наномеханических устройств в ближайшее время, и основной ограничитель — цена. Но есть области применения, где цена не главное, например военные приложения и аэрокосмическая отрасль. Не случайно министерства обороны США и Великобритании выступают в качестве основных спонсоров в исследованиях, и в приложении к MEMS/NEMS плохо работает классическая схема, предполагающая создание стартапных компаний с привлечением венчурного капитала. Здесь время отдачи дольше, это очевидно, и, следовательно, отрасль не слишком привлекательна для венчурных капиталистов. Среди военных приложений первоочередными являются те, где критичны вес и защищенность от внешних воздействий. Использование наноматериалов позволяет существенно уменьшить потребность в медных проводах, вес которых составляет до одной трети общего веса комических аппаратов. Еще одно направление — это носимая современным пехотинцем электроника, она должна быть не только защищенной, но и не создавать слишком большое излучение, опасное для здоровья и ухудшающее скрытность солдата.

Все MEMS можно разделить на две категории: пассивные — датчики или сенсоры — и исполнительные устройства с тем или иным видом привода. Датчики фиксируют изменения в окружающей среде и напоминают обычные приборы этого назначения, отличаясь миниатюризацией, а вот что касается исполнительных механизмов, то здесь разнообразие инженерных решений гораздо шире, хотя общим является родственность механическим приборам: для передачи энергии могут быть использованы электромагнитное или электростатическое поле, пьезоэффект, поверхностное натяжение, гидравлика, пневматика, термоэффект и даже световые потоки. Классическим примером исполнительного механизма может служить использование миниатюрного парового цилиндра для приведения в движение штоков — в общем, получается возврат даже не к аналитической, а к паровой машине XVIII века.

Решения, попадающие в нанодиапазон, меньше похожи на свои механические прототипы, они отличаются таким качеством, как самосборка, присущим живым организмам из органического мира. Для создания сверхминиатюрных моторов, резонаторов, датчиков и исполнительных механизмов могут быть применены технологии, близкие к тем, что используются для производства интегральных схем. Этими методами можно воссоздать работающую машину Бэббиджа на атомарном уровне, но цель, разумеется, не в этом. Если разработать многофункциональный комплекс приборов, то можно было бы изменить представление о размерах научных приборов, например, собрать полноценную космическую исследовательскую станцию размером с теннисный мяч.

Непосредственной заменой обычному транзистору может быть наноэлектромеханический транзистор NEMSET (Nano-Electro-Mechanical Single Electron Transistor). Упрощенное представление этого устройства показано на рисунке, где между двумя электродами находится перемещаемый элемент, способный их замыкать или размыкать. Предельная скорость переключения подобного транзистора не превышает 1 ГГц, то есть по быстродействию он уступает обычным полупроводниковым устройствам. Однако есть целый ряд приложений, где скорость не является критичным показателем, а важнее стойкость по отношению ко внешним воздействиям и низкое энергопотребление (в данном случае оно на порядок ниже), а также другие качества, присущие NEMSET.

Транзистор NEMSET

Из наномеханических транзисторов можно собирать устройства примерно так же, как из обычных, но гораздо интереснее устройства, где микромеханика не повторяет электронику. Несколько лет назад небольшая компания Nanochip, возглавляемая Гордоном Найтом, обещала рынку собственную альтернативу флэш-памяти NAND, той, на которой строятся все нынешние твердотельные диски и съемные накопители. Даже в самой первой версии микросхема от Nanochip должна была хранить до 100 Гбайт данных, что заметно больше, чем способны имеющие длительную историю чипы NAND, причем в первых вариантах они хранили всего десятки мегабайтов. Плюс к этому продукты Nanochip свободны от врожденных недостатков технологии NAND, таких как ограниченное число циклов записи и разнообразные проблемы, связанные со стиранием записанной информации. Казалась бы, замечательно, может появиться конкурентная замена NAND, однако — "дальше тишина", более того, сама компания Nanochip с 2008 года ушла в какое-то полуподпольное существование.

Существует еще несколько интересных подходов в реализации хранения данных посредством NEMS, например "диск на чипе» (Disk-on- a-Сhip), где для запоминания используется матрица из магнитного материала, а запись и считывание производятся двумя парами гребенок в декартовых координатах. Но и эти технологии пока не готовы к внедрению. Использование дешевых (за счет массового выпуска) решений оказывается препятствием на пути более совершенных, но соответственно более дорогих. Подобных примеров масса: не самая удачная архитектура х86 вытеснила многие более совершенные, суперкомьютеры строятся из устройств, заимствованных у игровых компьютеров, и т. д. Скорее всего, NEMS найдут применение в роли датчиков самых разных типов, в том числе оптических, микрогироскопов, фильтров для обработки сигналов и других устройств, связывающих компьютеры с внешним миром. И второе применение — компьютеры специального назначения, стоимость которых не является приоритетом.