Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности (Линн Фостер, 2006)

В предлагаемой книге авторы – известные ученые и бизнесмены, занимающиеся теоретическими и практическими проблемами нанотехнологий, – описывают состояние дел и перспективы их развития на ближайшее десятилетие, а также возможное воздействие нанотехнологий на глобальные процессы. Книга предназначена для широкого круга читателей: научных работников, специалистов, а также студентов профильных учебных заведений.

Оглавление

* * *

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности (Линн Фостер, 2006) предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Купить и скачать полную версию книги в форматах FB2, ePub, MOBI, TXT, HTML, RTF и других

Раздел II

Участники гонки

Глава 4

Коммерциализация нанотехнологии. Работает ли закон Мура в микро– и наноэлектронике?

Стив Джарветсон

Стив Джарветсон является административным управляющим фирмы Draper Fisher Jurvetson (DFJ.com), а также основателем крупных венчурных фирм Hotmail, Interwoven и KANA. Кроме этого, он руководит вложениями своей фирмы в предприятие Tradex and Syras (приобретенное недавно фирмой Ariba and Siena за 8 миллиардов долларов), связанное с молекулярной электроникой и нанотехнологией. Стоит отметить, что Стив Джарветсон является классным специалистом в этой области, поскольку он ранее работал в фирме Hewlett-Packard, где по эго проектам выпускалось семь типов кремниевых чипов. Кроме того, он разрабатывал и занимался маркетингом разнообразных материалов и устройств, выпускаемых рядом ведущих фирм (Apple, NeXT Software), и является одним из крупных и авторитетных экспертов в новых технологиях, инновационной политике и организации новых производств. Его деятельность неоднократно отмечалась, оценивалась и обсуждалась ведущими экономическими газетами и журналами США. Стоит отметить, что журналы Worth и Fortune помещали портрет С. Джарветсона на обложке (Fortune назвал его одним из лучших инвесторов научных разработок), а VC Journal включил его в «десятку наиболее влиятельных венчурных капиталистов США». Журнал Fortune отметил его в своей подборке «Мозговой трест из десяти главных специалистов» (Brain Trust of Top Ten Minds).


Вообще говоря, история любой технологии представляет собой серию резких скачков или разрывов, между которыми развитие описывается возрастающей экспоненциальной кривой, получившей (в очень упрощенной форме) широкую известность в качестве так называемого закона Мура. Он оказался характерным для развития самых разных технических устройств или их характеристик, причем, как это ни странно звучит, действие закона часто кажется независимым от экономических условий роста. Первоначально закон Мура был предложен только для описания процессов развития очень узкой и весьма специфической отрасли электронной промышленности (производства компьютерных чипов), однако его универсальность и популярность неожиданно проявилась во многих других областях (точно так же, как нанотехнология оказалась связанной с множеством наук и технических применений). В этой главе мы подробно обсудим закон Мура, а также его применимость к описанию эволюции нанотехнологии.

Собственно говоря, абстрактные рассуждения о природе закона Мура необходимы автору лишь для одной цели – оценки перспектив развития молекулярной электроники. Дело в том, что теоретические и практические успехи в развитии именно этого направления электроники позволяют очень наглядно и детально обсудить все проблемы, связанные с коммерциализацией нанотехнологических разработок вообще.

4.1. Экспоненты технологического роста

Психологически человек всегда склоняется к линейному восприятию соФбытийизависимостей, однако естественным законом (паттерном) развития в биологической и технической эволюции почти всегда выступает ускоряющий рост, что обусловлено заложенной в природных явлениях положительной обратной связью. В настоящее время технология в целом преодолевает некий порог, после которого «разрывы» в развитии перестанут выглядеть случайными, а начнут обретать значимость, связанную с реальными событиями и так называемыми жизненными циклами производимых продуктов.

Сейчас венчурный капитал (ВК) в нанотехнологиях переживает ранний этап развития, для которого характерным является поиск новых «прорывных» технологий (которые можно назвать даже «разрушительными», поскольку они уничтожают старые производства и представления).

Ученые и предприниматели на этом этапе стремятся изменить мир или по крайней мере существующие технологии. При этом для достижения успеха им необходимо проанализировать и «преодолеть» основные тенденции развития предыдущей «технологической волны» развития. Коллектив компании FFJ (Draper Fisher Jurvetson), в которой я работаю, убежден в том, что нанотехнология действительно создает очередную волну технологического развития, способную привести к следующей технической революции и преобразованию не только промышленности, но и всей социальной жизни. Я уверен, что позднее историки будут сравнивать переживаемый нами период с промышленной революцией конца XVIII века, преобразовавшей мир.

Многие специалисты уже сейчас серьезно думают не о краткосрочных проектах и планах, а пытаются угадать среднесрочные тенденции или даже далекие перспективы развития науки и промышленности, связанные с этой волной развития. В связи с этим постоянно возрастает как число предпринимателей, так и разнообразие инновационных проектов в области нанотехнологий. Число новых компаний, в которые инвестирует наша фирма, активно вовлеченная в эту инновационную политику, постоянно растет.

Из предыдущего опыта известно, что в среднесрочной перспективе успех прорывных технологий относительно слабо связан с циклами общей экономической активности, что наглядно доказывает вся история полупроводниковой техники и промышленности. Например, в течение последних 40 лет ее развитие прекрасно укладывается на теоретическую кривую закона Мура, несмотря на множество драматических событий, связанных с политикой и экономикой. Более того, знаменитый автор прогнозов в области нанотехнологий Рэй Курцвейль осуществил даже «абстрагированный» обратный прогноз действия закона Мура. Он рассмотрел прогресс в области мощности вычислений и емкости запоминающих устройств (не только основанных на транзисторах, но и всех вычислительных машин вообще), то есть исторически расширил границы анализа на сотни лет. Результатом его исследований стал удивительный факт: развитие этих параметров прекрасно описывается экспоненциальной зависимостью, на которую почти никакого влияния не смогли оказать исторические катаклизмы, включая две мировые войны и Великую депрессию США на рубеже тридцатых годов. Аналогичный экспоненциальный рост самых разных показателей научных и технических достижений легко проследить в истории развития Интернета, медицинской диагностики, расшифровки генных структур, использования трехмерных паттернов (изображений) внутренних органов или белковых структур и т. д.

Курцвейль попытался свести наблюдаемый экспоненциальный рост наших технологических возможностей (и эволюции в целом) к довольно простой и близорукой схеме: он предположил, что прогресс науки и техники в течение ближайших 20 лет будет просто эквивалентен или сравним с прогрессом за весь предыдущий век. Для большинства специалистов по прогнозированию (вовсе не считающих, что длительность человеческой жизни как-то увязана с периодом в 100 лет) его метафоры и сравнения выглядят полной абстракцией. Всякие сравнения в этой области бессмысленны, поскольку, например, в начале прошлого века в США было всего 144 мили асфальтированных дорог. Условия жизни основной части населения существенно отличались от тех, которые мы сейчас считаем цивилизованными и приемлемыми, например, большинство людей (более 94 %) рождалось дома (а не в благоустроенных больницах), а примерно 86 % населения не имело никакого представления о ванных комнатах, телефоне и электричестве. Читатель может сам представить себе тот уровень технического прогресса, который неминуемо ожидает человечество в 2020 году, задумавшись о предсказываемых возможностях генетики, нанотехнологии и других наук. Экспоненциальный рост технологических возможностей и их применений давно превышает все наши способности к «линейному» прогнозированию будущего. Обещанный социологами «шок будущего» в свете открывающихся возможностей выглядит очень скромным и простым.

История человечества формируется ростом уровня общего знания и технических возможностей, которые и позволяют нам создавать новые инструменты и возможности преобразования мира или познания его закономерностей. Сейчас мы вступаем в эпоху совершенно фантастического роста возможностей человечества, связанных с экспоненциальным развитием в области биотехнологии, молекулярной инженерии, вычислительной техники и множества других областей. «Перекрестное опыление» (на жаргоне биологов) между разными науками и технологиями должно неизбежно привести к множеству новых и неожиданных возможностей. В связи с очевидной тенденцией к «оцифровыванию» любой информации, относящейся к веществам и биологическим процессам, ученые очень скоро получат возможность управлять биологическими информационными системами с невиданной эффективностью, что позволит им начать создание новых структурированных материалов по методике снизу вверх, пользуясь принципами самоорганизации и самосборки.

4.2. Закон Мура

В своей самой простой формулировке закон Мура сводится к утверждению, что плотность монтажа транзисторных схем возрастает вдвое за каждые 18 месяцев. Авторство закона приписывают одному из основателей известной фирмы Intel Гордону Муру. Строго говоря, в действительности эта формулировка представляет собой «смесь» разных прогнозов Мура, который в 1965 году предсказал ежегодное удвоение числа транзисторов в электронных чипах, обладающих наилучшим показателем эффективности, то есть минимальным отношением стоимость/качество. Позднее, в 1974 году Мур пересмотрел свою оценку и стал считать, что удвоение плотности монтажа должно происходить за два года. В общественном сознании эти предсказания постепенно слились в одно с периодом удвоения плотности монтажа 18 месяцев.

Основная идея закона Мура сводится к тому, что сложность электронных микросхем (в пересчете на стоимость) возрастает с некоторой постоянной скоростью, однако в настоящее время научная общественность воспринимает этот закон либо слишком абстрактно и общо, либо, наоборот, придает ему чрезмерно конкретный характер. Например, некоторые специалисты пытаются уточнить и конкретизировать закон, полагая, что речь идет только о двухмерной плотности монтажа транзисторных схем, а другие относят его к вычислительной мощности схемы вообще, то есть произведению скорость х плотность.

Поскольку нас интересуют в первую очередь долгосрочные прогнозы развития нанотехнологии, мы рассмотрим наиболее абстрактную форму наблюдаемой зависимости, позволяющей (но только формально!) проследить действие закона Мура в течение целого столетия. Кроме того, отклоняясь от собственно электронной техники, мы попробуем оценить значимость и действенность закона Мура вообще, то есть для других областей промышленности.

4.2.1. Важность закона Мура

Закон Мура долгое время связывали только с электронной промышленностью (чипы, коммуникационные системы, компьютеры), однако позднее оказалось, что им же определяется развитие и производство лекарственных препаратов, биоинформационных технологий, методов медицинской диагностики и многих других научно-технических направлений. Эта общность приобретает особое значение в наше время, когда многие «лабораторные» (то есть экспериментальные) исследования меняют свой характер, а ученые перестают изучать природу классическими методами «проб и ошибок», переходя к моделированию процессов на ЭВМ, что наглядно демонстрируют приводимые ниже примеры.

Недавно в Исследовательском центре НАСА имени Эймса была демонтирована большая аэродинамическая труба, использовавшаяся для продувки крупных моделей авиационно-ракетной техники. Причиной можно считать действие закона Мура, в соответствии с которым мощность и возможности вычислительной техники возросли настолько, что ученые могут математически моделировать турбулентные потоки обтекания, а не «запихивать» образцы техники в аэродинамические трубы. Разумеется, новый подход создает огромные возможности ускорения любых исследовательских работ.

Гигантская фармацевтическая компания Eli Lilly сейчас выпускает, образно говоря, в 100 раз меньше молекул, чем 15 лет назад, хотя число и разнообразие разрабатываемых и выпускаемых лекарств за это время значительно возросло. И в этом случае исследования и производственные процессы стали намного эффективнее, благодаря чему компания выбрала своим рекламным слоганом фразу «Меньше атомов, но больше битов!»

Известно, что основная проблема моделирования сводится к очень большому объему и высокой точности необходимых вычислений. Почти в любой области науки можно указать некий «порог точности» расчетов, преодолев который ученые могут отказаться от лабораторных экспериментов и перейти к использованию компьютерного моделирования. Уже сейчас во многих областях моделирование «конкурирует» с экспериментальными исследованиями в качестве движущей силы технического прогресса. В качестве примера преодоления «порога точности» в последние годы стоит упомянуть метеорологию (рост вычислительной мощности ЭВМ сделал возможным точное прогнозирование погоды на 6 часов вперед), испытание автомобилей на прочность (любые процессы столкновения можно изучать на компьютере, исследования динамики трехмерных белковых структур (фолдинг) и т. п.

Возвращаясь к проблеме формулировки закона Мура, отметим, что инженеры, связанные с производством компьютерных чипов и озабоченные оптимизацией производственных процессов, конечно, не занимаются подсчетом числа транзисторов в схемах. Точно так же потребителей вычислительной техники интересует не плотность монтажа транзисторов, а обобщенные рабочие параметры созданного на их основе компьютера (прежде всего скорость обработки информации и объем запоминающих устройств). Сказанное может быть отнесено и ко многих другим технологиям, поэтому имеет смысл «отделить» закон Мура от конкретного производства транзисторов (для которого он был первоначально предложен), то есть избавить его, образно говоря, от транзисторной «метрики». При этом закон становится весьма общей закономерностью научно-технического развития и может быть использован для создания долгосрочных прогнозов.

Например, в вычислительной технике действие закона Мура может быть гладко «аппроксимировано» примерно на 100 лет назад, то есть продлено «назад» до момента, когда никакой полупроводниковой техники вообще не существовало. Как показано на рис. 4.1, история вычислительной техники за последнее столетие может быть представлена в виде пяти сменяющих друг друга периодов, соответствующих указанным на рисунке парадигмам развития (электромеханические калькуляторы, релейная техника, вакуумные лампы, транзисторы, интегральные схемы). В этом случае собственно закон Мура (в его строгой исходной формулировке) может быть отнесен только к пятой парадигме, однако легко заметить, что характеристики вычислительных устройств за 100 лет развития действительно очень точно соответствуют общему закону экспоненциального роста. Говоря более просто, за последнее столетие мощность, или производительность вычислительной техники (computational power), в среднем удваивалась каждые два года (в пересчете на некоторую фиксированную цену, например, на 1000 долларов). Последние тридцать лет удвоение характеристик происходило в течение каждого года. Вертикальная ось на рис. 4.1 является логарифмической, так что горизонтальные линии на рисунке соответствуют возрастанию характеристик в 100 раз. Строго говоря, экспоненциальному росту должна была бы соответствовать прямая линия по диагонали, но рисунок взят из книги Рэя Курцвайля, который обнаружил некоторое ускорение и описал его, используя так называемую двойную экспоненту.

Рис. 4.1. Развитие вычислительной техники за последнее столетие в соответствии с формальной «версией» закона Мура Каждая точка соответствует параметрам конкретного вычислительного устройства (из книги Рэя Курцвейля)


Каждая точка относится к конкретной модели, создаваемой в попытке добиться рекордных показателей вычислительной техники. Очевидно, что за каждой точкой стоят интересные, драматические события в жизни конкретных талантливых людей (интересно, что все они действовали практически независимо друг от друга, но параметры создаваемых ими устройств почти точно укладываются на предсказуемую кривую). Например, первая точка на рисунке соответствует электромеханическому калькулятору, созданному в 1890 году для обсчета результатов переписи населения США. Одна из точек соответствует знаменитому устройству, позволившему в годы Второй мировой войны расшифровать используемый немцами код «Энигма» (этому событию посвящено несколько книг и кинофильмов), другая – той машине, которая сумела предсказать неожиданную победу Эйзенхауэра на президентских выборах 1952 года вопреки мнению всех политологов и средств массовой информации! Какие-то точки означают известные всем системы Apple II и Cray и т. д. Этот процесс продолжается, так как мы продолжаем постоянно совершенствовать технические параметры, алгоритмы вычисления и программное обеспечение ЭВМ, продолжая и развивая приведенную на рисунке кривую. Для того чтобы продемонстрировать ее возможности в настоящем, я просто обратился к рекламным проспектам, выписал параметры современного дешевого и доступного персонального компьютера (фирма Wal-Mart.com) и нанес еще одну дополнительную точку на рисунок Курцвейля (серая точка в правом верхнем углу).

Особо следует подчеркнуть тот факт, что кривая практически не связана с экономическими циклами развития, то есть на ней нельзя уловить воздействия кризисов промышленности (включая знаменитую Великую депрессию 1929 года в США), двух мировых войн и иных геополитических событий. Конечно, эти события и связанные с ними важнейшие экономические факторы (скорость внедрения новой техники, нормы прибыли, доходность вложений и т. д.) приводят к случайному разбросу параметров точек на рисунке, однако общая долговременная тенденция представляется очевидной.

В соответствии с описанными закономерностями любая отдельная новая технология (например, связанная с производством так называемых комплементарных МОП-структур) будет проходить в своем развитии одинаковые стадии, соответствующие S-образной кривой. При каждом конкретном процессе внедрения технического продукта наблюдается медленный рост в начальный период развития, резкое ускорение в фазе широкого внедрения и естественное замедление, обусловленное насыщением рынка и падением спроса из-за появления новой техники. Смысл закона Мура состоит в том, что при этом, однако, наиболее общие и важные технические характеристики целого класса устройств (быстродействие, объем памяти, ширина полосы пропускания и т. п.) всегда изменяются по экспоненте, как-то неожиданно объединяя разные технологии, каждая из которых описывается собственной последовательностью S-образных кривых развития.

Если история техники имеет некий смысл и общие закономерности, то действие закона Мура приведет к обнаружению новых структур и материалов, свойства которых будут качественно превышать характеристики упомянутых кремниевых комплементарных МОП-структур. В истории вычислительной техники за последнее столетие уже сменилось пять парадигм, и этот процесс будет продолжаться.

4.2.2. Проблемы современной парадигмы

Гордон Мур за прошлые десятилетия неоднократно посмеивался над скептиками, предсказывавшими скорую «кончину» сформулированного им закона, однако нельзя не заметить, что традиционная полупроводниковая техника действительно подходит к некоторым последним границам развития, обусловленным фундаментальными законами природы. Кстати, недавно об этом заявил и сам Мур, признавший, что его закон к 2017 году потеряет первоначальный смысл для любых кремниевых устройств.

Одна из главных проблем состоит в том, что увеличение плотности монтажа неизбежно приводит к повышению температуры работающих устройств, так что уже сейчас фирмы-производители озабочены поиском возможностей охлаждения схем, вырабатывающих (в пересчете) около 100 ватт энергии на 1 см2. Существующие технологии явно исчерпали себя, так что в долговременной перспективе следует ожидать принципиально нового, прорывного подхода, то есть возникновения новой парадигмы.

Еще более сложной выглядит проблема физических размеров устройств, поскольку технологии вплотную приблизились к размерам отдельных атомов. Например, уже сейчас оксидные полупроводниковые электроды в выпускаемых фирмой Intel изделиях имеют толщину 1,2 нм, а в ближайшем будущем фирма обещает довести толщину до трех атомов. Естественно, что никто не может ожидать дальнейшего уменьшения размеров вдвое и т. д. за счет разработки новых материалов изоляции. Сама фирма связывает дальнейший прогресс с наноструктурами из принципиально новых материалов (диэлектрики с высоким значением коэффициента k и новые типы металлических контактов), к реальному использованию которых она должна приступить в 2007 году. Примечательно, что ни одна из фирм, занятых коммерческим производством, уже не создает привычные планы разработок на ближайшие 50 лет (так называемые «дорожные карты») в области КМОП-структур. Основной проблемой в использовании тонких оксидных электродов и диэлектриков с высоким значением коэффициента k остается возможность так называемого квантового туннелирования. По мере уменьшения толщины оксидного слоя туннельный ток управляющего электрода может достигать значений тока канала или даже превосходить его, после чего фактически теряется возможность регулирования работы транзистора.

Другая серьезная проблема состоит в том, что из-за технических сложностей чрезвычайно возрастает стоимость производственных линий по изготовлению полупроводниковых устройств, или чипов. Цена оборудования такой производственной линии также примерно удваивается каждые три года (забавно, но такая закономерность получила название второго закона Мура) и сейчас уже составляет около 3 миллиардов долларов. Другими словами, нам удается уменьшать размеры транзисторов только за счет резкого удорожания стоимости оборудования и производства. Удорожание производства объясняется прежде всего возрастающей стоимостью литографического оборудования, которое используется для создания многослойных субмикронных паттернов (шаблонов) на полупроводниковых пластинах. В настоящее время производственники возлагают очень большие надежды на так называемую наноимпринтную литографию и молекулярную электронику, что обещает существенно снизить расходы и повысить качество производимых изделий.

Наша фирма уже сейчас инвестировала значительные капиталы в компании, которые стараются угадать характер следующей смены общей парадигмы в производстве элементов вычислительной техники. Мы уверены, что принципиально новые технические решения будут найдены и кривая, описывающая действие закона Мура на рис. 4.1, будет расти и после 2017 года (несмотря на скептицизм самого Гордона Мура!). С другой стороны, выше уже отмечалось, что закон Мура сложным образом связан с отношением характеристики/стоимость, вследствие чего некоторые исследователи в поисках краткосрочных решений пытаются изменить это соотношение именно за счет массовости, то есть резкого удешевления цены отдельных элементов. Читатель может представить себе огромные рулоны (типа бумажных обоев), узоры на которых составлены из массы исключительно дешевых транзисторов. Одна из сотрудничающих с нами компаний сейчас осваивает процессы «осаждения» традиционных транзисторных структур на полимерных матрицах при комнатной температуре, что позволяет организовать массовое и очень дешевое производство некоторых изделий, которые ранее изготовлялись по весьма сложной технологии с выращиванием кремниевых кристаллов, вырезанием из них и обработкой сверхтонких пластин и т. д.

4.3. Молекулярная электроника

При размышлениях о смене парадигмы в вычислительной технике и новых материалах на следующий период развития (его можно назвать посткремниевым) сразу вспоминается молекулярная электроника, которая постепенно становится нанотехнологической альтернативой КМОП-транзисторам. Молекулярные переключатели обещают революцию в вычислительной технике, так как они позволят вместо планарного формирования элементов КМОП-структур (методами осаждения) использовать их объемные сочетания, что приведет к решительным изменениям в методах производства и компоновки схем. Возможно, в начальный период такие молекулярные переключатели будут применяться лишь в некоторых «узких местах» схем, чтобы можно было дольше использовать процессы и стандартные внешние соединения, к которым привыкли специалисты за десятилетия развития кремниевой технологии.

Например, нанотехнологическая фирма Nantero в Вобурне (штат Массачусетс) использует углеродные нанотрубки, «подвешенные» к металлическим электродам на кремнии таким образом, что они образуют так называемые энергонезависимые запоминающие устройства (nonvolatile memory), или чипы с очень высокой плотностью соединений. Идея метода заключается в том, что слабые молекулярные (ван-дер-ваальсовские) силы способны удерживать изогнутые нанотрубки в заданном положении практически бесконечно долго, не требуя дополнительных затрат энергии. К этому можно добавить, что углеродные нанотрубки имеют очень малое сечение (примерно 10 атомов в диаметре) и обладают прекрасными прочностными характеристиками. Будучи в 6 раз легче стали, этот материал в 30 раз прочнее ее, вследствие чего нанотрубки могут одновременно выполнять роль проводов, микроконденсаторов и транзисторов. Помимо сказанного, новая технология позволяет значительно повысить рабочие параметры устройств (быстродействие, плотность монтажа и т. п.) и снизить их стоимость. Одним из важнейших преимуществ энергонезависимых запоминающих устройств выступает то, что на их основе можно создать «мгновенно включающиеся» персональные компьютеры.

Некоторые компании (например, Hewlett-Packard и ZettaCore) пытаются создавать запоминающие элементы на поверхности кремния, используя органические молекулы, способные к самосборке под воздействием химических сил, причем общий ход процесса задается заранее нанесенными на кремниевый чип паттернами или соответствующей экспозицией.

Ниже перечисляются некоторые основные характеристики устройств и их особенности, позволяющие реально рассматривать молекулярную электронику в качестве главного направления для смены парадигмы в изготовлении элементов вычислительной техники, то есть для дальнейшего развития по закону Мура.

• Размеры. Особую привлекательность молекулярной электронике придает то, что она потенциально позволяет осуществить принципиальную миниатюризацию элементов вычислительной техники, сравнимую с той, которая произошла при переходе к пятой парадигме прошлого века (производство интегральных схем) и обеспечила рост характеристик в соответствии с законом Мура еще на тридцать лет. В 2002 году специалисты фирмы IBM, пользуясь сканирующим туннельным микроскопом, разработали методику манипуляций с отдельными молекулами моноксида углерода, что позволило им создать «триодный» анализатор импульсов на поверхности меди. Размеры этого устройства были в 260000 раз меньше, чем у соответствующей схемы в коммерчески выпускаемых чипах. Воображение человека с трудом воспринимает такие огромные цифры, но для сравнения размеров молекул и создаваемых человеком устройств читатель может представить себе каплю воды и вспомнить, что число молекул в ней в 100 раз превышает число всех транзисторов во всех электрических схемах, выпущенных промышленностью. Особую роль для миниатюризации играет то, что в природе молекулы располагаются в объеме, в то время как создаваемые нами интегральные схемы всегда представляют собой чрезвычайно сложные и тонкие структуры, располагающиеся только на плоской, двухмерной поверхности весьма большой (естественно, по молекулярным масштабам!) и совершенно не используемой кремниевой подложки.

• Мощность. Одна из главных причин, по которой конструкторы не могут создавать объемные структуры из транзисторов, заключается в тепловыделении, приводящем к расплавлению кремниевых подложек. Строго говоря, даже самые современные транзисторы являются крайне неэффективными устройствами, и их коэффициент полезного действия значительно уступает, например, двигателям внутреннего сгорания. Потребляемая энергия расходуется транзисторами в процессе вычислений крайне расточительно и бесполезно. Для сравнения укажем, что человеческий мозг по эффективности энергопотребления и способности к расчетам превосходит лучшие из существующих процессоров в 100 миллионов раз, уступая последним только в быстродействии (менее 1 кГц). Эффективность работы мозга (в качестве вычислительного устройства) обеспечивается исключительно высокой плотностью внутренних связей в очень небольшом объеме (примерно 100 триллионов синапсов связывают между собой 60 миллиардов нейронов). Будущее вычислительной техники связано только с резким снижением энергопотребления (в пересчете на количество операций) и повышением скорости самих операций.

• Стоимость производства. Создаваемые в настоящее время молекулярные электронные устройства очень просты и чаще всего представляют собой «покрытия» или самоорганизующиеся структуры из органических соединений. Собственно говоря, требуемая от них сложность как бы предварительно «заложена» в сложную структуру синтезируемых молекул, поэтому процесс изготовления может быть сведен упрощенно к «расплескиванию» химической смеси на подготовленную кремниевую поверхность. Сложность устройства в целом при этом обеспечивается не сложностью технологических процессов обработки и инженерного замысла, а свойствами самих молекул. Нанотехнологии концептуально отличаются от привычных процессов примерно так же, как биологический рост организма отличается от вытачивания детали на станке. Главное отличие заключается в том, что сложность в наноструктурах возникает в результате идущих «снизу вверх» процессов, то есть «задается» какими-то внутренними конформационными изменениями материала, а также слабыми молекулярными силами и поверхностным взаимодействиям участвующих в процессе молекул. Легко заметить, насколько такие процессы отличаются от обычной инженерной технологии изготовления объектов «сверху вниз», основанной на точных операциях и статическом состоянии обрабатываемых изделий.

• Возможность производства при низких температурах. Одной из замечательных особенностей биологических процессов является то, что они позволяют создавать очень сложные объекты без применения температур около тысячи градусов, высокого вакуума и т. п. Большинство реакций органических молекул осуществляется при комнатной температуре или температуре человеческого тела. В массовом производстве это означает переход от дорогостоящих и сложных в изготовлении кристаллических подложек к гораздо более дешевым и удобным полимерным материалам.

• Элегантность технических решений. Немаловажным фактором выступает то, что молекулярная электроника зачастую позволяет находить, как говорят инженеры, элегантные технические решения многих сложных проблем, особенно в области создания так называемых энергонезависимых и «внутренне цифровых» (inherent digital) запоминающих устройств. Для придания этих абстрактно задуманных характеристик устройствам на основе КМОП-структур, технологам приходится применять самые «неестественные» и сложные методы обработки. В связи с этим интересно отметить, что многие объекты молекулярной электроники исходно являются энергонезависимыми и «цифровыми»!

Существует множество других интересных проектов (от создания квантового компьютера до использования ДНК в качестве структурирующего материала для направленной сборки нанотрубок). Число таких разработок постоянно возрастает, а объединяет их лишь то, что все они с полным правом могут быть отнесены к нанотехнологиям.

4.4. Коммерциализация нанотехнологии

В определении нанотехнологии часто используется или упоминается возможность манипуляции и управления объектами нанометрического размера (обычно речь идет о диапазоне 1—100 нм). Давно замечено, что использование масштаба длины в определении целой науки выглядит необычным и даже странным (ведь никому не приходит в голову, например, называть какие-то технологии «дюймовыми»!). Венчурных капиталистов интересуют прежде всего какие-то качества материалов или необычные процессы, позволяющие им создавать новые, нестандартные товары и услуги. Нашей фирме часто приходится консультировать так называемые старт-ап, то есть венчурные фирмы, создаваемые именно для «раскрутки» новых товаров, основанных на передовых технологиях, новейших научных разработках и т. п. Обычно мы начинаем разговор с клиентами со стандартных вопросов, относящихся к мотивации их деятельности (почему вас это интересует? почему сейчас? почему вы не занялись этим бизнесом 10 лет назад?). При разговоре о нанотехнологических проектах мы практически всегда слышим, что в результате последних исследований появилась возможность производить очередной наноматериал с необычными свойствами, которые никогда ранее не наблюдались в известных веществах.

Вещества и процессы в нанометрическом диапазоне размеров обладают множеством необычных характеристик, которые кажутся нам странными просто в силу того, что наши органы чувств и даже способность к восприятию сформировались в «большом» (макроскопическом и статистическом) мире. Действительно, мы не способны видеть отдельный фотон, заряд электрона или квант энергии, точно так же как молекулярные взаимодействия. Человек видит и описывает лишь макроскопические, усредненные объекты и явления, проявляющиеся в больших масштабах (типа трения и т. п.). При переходе к наноразмерам перестают действовать и становятся неточными привычные законы ньютоновской физики, место которых занимают постулаты квантовой механики. Я еще раз повторю, что нанотехнология вовсе не означает простое уменьшение размеров и использование связанных с этим преимуществ. Речь идет о принципиальном изменении законов природы на этом уровне. Для наноразмерных объектов естественными становятся квантовое «переплетение» событий, туннелирование (прохождение частиц через преграду), баллистический перенос электронов, протекание жидкостей без трения и многие другие загадочные явления, которые ставили в тупик всех физиков-теоретиков, начиная с Эйнштейна.

В качестве простого примера «разрыва» свойств вещества при переходе от обычных размеров к атомарным можно рассмотреть поведение обычной алюминиевой банки из-под пива. Если вам удастся измельчить эту банку в алюминиевый порошок с размерами частиц 30–40 нм, то вам придется обращаться с ним крайне осторожно, так как он представляет собой мощную взрывчатку (такую алюминиевую пудру военные используют в качестве катализатора горения ракетных топлив). Другими словами, мы получаем возможность целенаправленного и существенного изменения свойств вещества изменением размера составляющих его частиц. Например, в случае с алюминием принципиальное значение имеет изменение отношения площадь/объем, а возможно, и нарушение межатомных расстояний в кристаллической решетке из-за поверхностных эффектов.

4.4.1. Инновации происходят на границе познания

Прорывные инновации, являющиеся движущей силой развития и обновления технологий, естественно, происходят, образно выражаясь, на границе познания, то есть на передовых рубежах науки. Говоря в самом широком смысле и используя биологическую терминологию, можно сказать, что перспективные инновации не могут возникать в теплой, безопасной и уютной обстановке середины «стада». Инновации можно уподобить биологическим мутациям, происходящим где-то на краю среды обитания, то есть на границе выживаемости и поиска новых возможностей. Интересно, что в теории сложности объекты, обладающие структурой и сложностью (как физикоматематическим свойством), тоже возникают на границе хаоса, где проходит линия раздела между областями предсказуемого поведения систем и хаотической неопределенности. Точно так же в науке ценные прорывные инновации чаще всего возникают в междисциплинарных, необычных и комплексных исследованиях, далеких от академического формализма.

Возможно, особая притягательность и очарование нанотехнологий связаны именно с человеческим фактором отношения к науке. Нанонаука неожиданным образом выявляет целые области взаимного «перекрывания» фундаментальных наук и создает возможности для их «перекрестного опыления» идеями из чуждых научных дисциплин (квантовая физика и химия, биология, вычислительная техника и т. д.). Дело в том, что в процессе своего исторического развития каждая из академических наук выработала собственную систему ценностей, парадигм и даже собственный язык (или хотя бы терминологию), которые изолируют и отделяют ее от смежных дисциплин. Нанонаука (в самом общем смысле) дает ученым возможность вновь объединить свои системы и языки, предлагая им общие методы и объекты исследования. Объединяющее положение нанонауки среди прочих дисциплин схематически представлено на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Нанонаука представляет собой «перекресток» многих научных дисциплин


Развитие нанотехнологии вызывает интересные и ценные дискуссии в учебных заведениях и правительственных лабораториях, способствуя междисциплинарным исследованиям. Во многих институтах открываются отдельные факультеты и учебные центры, специализирующиеся в области нанонауки и нанотехнологии. Интересно, что здание факультета по нанотехнологиям в Стэнфордском университете располагается между учебными корпусами других специальностей (инженеры, вычислительная техника, медицина), что как бы символизирует объединяющую роль новой науки. Более того, эту объединяющую и интегрирующую функцию она сохраняет и вне академической сферы, неожиданно создавая новые и непривычные комбинации в бизнесе и социальных оотношениях. Например, нанотехнологические товары и изделия имеют самое разное назначение (солнечные батареи, компьютерные чипы, лекарственные препараты и т. п.), что привело к активизации и появлению новых связей между специалистами по маркетингу, распределению и продаже в этих далеких отраслях. Расширение и обновление таких связей практически всегда оказывает благотворное воздействие на участников, создавая возможности для обмена знаниями и методами (физики назвали бы это синергетическим эффектом).

4.4.2. Хронология событий на рынке нанотехнологий

В литературе уже устанавливается простое и короткое название нанотех для коммерческих нанотехнологий, которым я буду пользоваться ниже для обозначения уже существующих прорывных инновационных проектов. Они охватывают множество разных производств (электроника, энергетика, фармацевтическая промышленность, материаловедение), но пока в основном находятся на начальной стадии развития. В дальнейшем ситуация может сильно измениться – Национальный научный фонд США предсказывает рост общего объема нанотеха через 15 лет до 1 триллиона долларов!

Вообще говоря, в далекой перспективе использование нанотехнологий приведет к революционным изменениям практически во всех отраслях промышленности, поскольку речь идет о весьма общих возможностях управления веществом на атомарном уровне, включая неорганические, органические и даже биологические структуры и вещества. При этом само управление новыми производствами может поменять свой характер и превратиться из аналогового в цифровое.

Футуристические и фантастические прогнозы развития нанотеха приносят в сущности большую пользу, поскольку привлекают к новой науке и ее проблемам внимание молодых и самых одаренных исследователей. Ученых всегда привлекали сложные и интересные задачи, а нанотехнология представляет им прекрасный шанс проявить свои способности.

Большинство венчурных капиталистов осознает реальность нанотеха, так что основной проблемой становится правильное вложение капиталов и расчет временных сроков коммерциализации тех или иных разработок. Короче говоря, проблема сейчас состоит в выборе объемов и секторов вложения инвестиций. Учитывая разнообразие возможных приложений нанотеха, существующая ситуация означает для серьезного аналитика и инвестора решение сложнейшей задачи: «прогонку» массы вариантов через интеллектуальный фильтр экспертной и экономической оценки для выделения наиболее перспективных направлений развития рынка. Такая оценка означает непрерывный процесс сбора информации (например, постоянно возникающих бизнес-планов разнообразных производств) и ее последующей экономической, технической и чисто интуитивной оценки. Кроме того, нельзя не упомянуть два блестящих научных достижения последних лет, вызывавшие большой интерес у научной общественности и в коммерческих кругах. Я говорю о расшифровке генома человека и получении визуальных изображений на основе выходных сигналов сканирующего туннельного микроскопа (читатель наверняка видел логотип фирмы IBM, написанный отдельными атомами ксенона на кремниевой поверхности). Такие события, символизирующие прогресс так называемой диджитализации, или оцифровывания (информации) в физике и биологии, служат пропаганде научных достижений и способствуют появлению инновационных проектов.

В самое последнее время число публикаций, посвященных нанотеху, значительно возросло, напоминая о временах появления Интернета. Речь идет не только о популярных статьях, но и о научных работах, количество которых за последнее десятилетие увеличилось примерно в 10 раз. Еще поразительнее выглядит статистика по патентам, выдаваемым в области различных приложений нанотехнологий. Согласно данным Ведомства США по патентам и торговым маркам (USPTM), их число ежегодно возрастает в три раза на протяжении последних семи лет. О стремлении захватить рынки и методы производства с очевидностью и даже какой-то символичностью свидетельствует тот факт, что в упомянутой выше фирме IBM уже сейчас вопросами нанотехнологий занимается больше юристов, чем инженеров!

В связи с последними действиями в рамках Национальной нанотехнологической инициативы федеральное финансирование этих исследований продолжается и возрастает. Например, в 2004 году намеченная сумма 847 миллионов была не только предоставлена (несмотря на общие сокращения в бюджете), но и повышена. Среди статей федеральных расходов на науку нанотехнология занимает второе место (уступая только расходам на освоение космоса). Америка не одинока в своих пристрастиях: хотя расходы США на эти цели в 2003 году составили 1/3 от общемировых, Япония например, затрачивает на эти цели даже большие суммы.

Именно финансирование со стороны федерального правительства позволяет развивать инновационную деятельность в области нанотехнологий. Практически все компании, которым наша фирма оказывает юридические и консалтинговые услуги, относятся к разряду так называемых «раскручиваемых» и занимаются тем, что пытаются внедрить новейшие технологические разработки в промышленное производство. При этом они пользуются результатами исследований, полученных в высших учебных заведениях или государственных лабораториях (то есть используют передаваемую интеллектуальную собственность). Очень часто такие компании нуждаются в специальном оборудовании и дорогостоящих лабораториях для дополнительных исследований, необходимых для «подгонки» результатов к выпуску каких-то конкретных продуктов (нормальный предприниматель, конечно, не держит такое оборудование, согласно поговорке, «в углу гаража»). Ситуация с необходимостью проведения дополнительных исследований является типичной для всех так называемых стартовых (start-up) и инновационных компаний.

В общем плане сейчас есть множество корпоративных инвесторов, готовых вкладывать серьезные деньги в нанотехнологические инновационные проекты, осуществляемые стартовыми компаниями, получившими извне данные НИОКР (научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок) и начальное финансирование. Кроме того, многие крупные инвесторы выражают готовность покупать целиком новые фирмы, связанные с производством перспективных продуктов (например, совсем недавно крупный производитель чипов компания AMD захотела приобрести небольшую венчурную компанию Coatue, специализирующуюся на разработках устройств молекулярной электроники).

Сказанное вовсе не означает, что все инвестиции в этой области будут успешными, так как значительная часть стартовых компаний все-таки прогорает. От фирм-консультантов, подобных нашей, это требует непрерывного совершенствования методов анализа и оценки (образно говоря, мы должны постоянно «прочищать» фильтры, через которые «прогоняем» оцениваемые проекты). Организаторы и предприниматели всегда стараются представить свои планы в наиболее выгодном свете, и только интуиция опытного специалиста помогает выбрать правильные направления развития.

4.4.3. Проблема вертикальной интеграции стандартов и технических условий

Нанотех предлагает обширные инженерные программы, начинающиеся с низшего уровня физической основы нашего мира (с атомов и связанных с ними процессов) и заканчивающиеся реальным бизнесом. В этих условиях естественно возникает вопрос о вертикальной интеграции стандартов производства на стадиях, предшествующих выпуску коммерческого продукта для продажи. Если, например, специалист по молекулярной электронике сумел создать чип, совместимый с уже существующими динамическими оперативными запоминающими устройствами (DRAM), то ситуация выглядит весьма выигрышной. Изделие может быть «состыковано» с остальной аппаратурой, попадает на так называемую «горизонталь» стандартизации, и производитель может не беспокоиться о дальнейшей, «вертикальной» интеграции стандартов. Однако гораздо более вероятной является ситуация, когда созданное устройство (например, трехмерное запоминающее устройство) не совмещается с другим используемым оборудованием, и тогда производитель обязан ввести какой-то промежуточный блок, позволяющий использовать новое устройство в общей системе. Такая подгонка часто требует от инновационной фирмы поиска партнеров по производству, что, естественно, означает дополнительные затраты времени и денег. Внедрение в производство новой трехмерной логической схемы с повышенным числом внутренних связей будет означать не только новый дизайн и новое программное обеспечение, но и удлинение сроков коммерциализации продукта. Большинство инновационных фирм к концу разработок начинают срочно искать партнеров, способных правильно представить новый продукт на уже существующем рынке сбыта. Успех и своевременность выполнения всего проекта зависят не только от технического совершенства, но и от множества других факторов, включая правильно организованную защиту интеллектуальной собственности, удачный подбор партнеров, возможность дальнейших усовершенствований, технических сложностей (наличие требуемого оборудования и т. п.), а также признание достоинств нового товара на возможно более высоком уровне.

Так называемая временная линия развития продукта связана обратной связью с циклами научно-технических разработок. Например, слишком затянутые (по сравнению с кристаллическими аналогами) сроки испытания органических светоизлучающих диодов (LED) могут оказаться неприемлемыми для партнеров и значительно осложнят процесс коммерциализации.

4.4.4. Проблемы взаимодействия

При любых оценках возможностей инновационных проектов в области нанотехнологий следует учитывать, прежде всего, проблемы финансового обеспечения, рыночных запросов и получения прибыли в какие-то разумные сроки, например в течение 5 лет. В нанотехе существует множество разнообразных возможностей, но общая линия поведения и развития должна быть определена четко. Следует ли затягивать исследования (надеясь на получение правительственных грантов в течение 20 лет) или необходимо найти ориентированную на рынок бизнес-структуру, способную привлечь венчурный капитал? Не окажется ли поставленная задача слитком сложной и не потребуется ли для внедрения нового продукта перестраивать целые отрасли промышленности?

В качестве мысленного эксперимента представьте себе, что кто-то предлагает вам очередное нанотехнологическое «чудо», которое можно назвать молекулярной машиной (это может оказаться суперкомпьютером, микроскопической подводной лодкой для плавания по кровеносной системе или машинкой, производящей алмазные стержни). Выбор объекта не является принципиальным. Попробуйте на этих примерах разобраться со сложностью инновационных проектов.

Представьте себя венчурным капиталистом и задумайтесь над некоторыми простыми вопросами. Почему изобретатель предлагает его вам, а не занимается внедрением самостоятельно? Насколько автономными являются эти устройства? Какие источники питания необходимы для их использования? Каким образом будет осуществляться связь и управление при работе с новыми молекулярными машинами?

Именно такие вопросы взаимодействия и взаимосвязанности создаваемых объектов с окружением часто являются основными при оценке возможностей разнообразных инновационных проектов. Например, может оказаться, что для работы выбранной вами конкретной молекулярной машины необходимо наличие уже развитой системы нанотехнологической энергетики и машинной базы. В качестве поучительной аналогии попробуйте представить себе, что вам попал в руки устаревший процессор типа Intel Pentium. Каким образом, собственно говоря, вы можете использовать его на практике? Вспомните, что для подключения его к компьютеру вам необходимо проводом присоединить этот чип к более крупному проводу, который должен быть присоединен к пульту на крупных печатных платах, требующему мощного источника питания. На каждом из последовательных этапов присоединения чипа вы будете сталкиваться с проблемой поиска все более крупных по масштабу вспомогательных и соединительных устройств, которые давно вышли из употребления (отметим, что эти устройства изобретались в обратном хронологическом порядке). Каждый технический объект требует для своей эксплуатации наличия целой иерархической системы взаимосвязанных устройств, сочетание которых и обеспечивает не только его потенциальную важность, но и саму возможность использования.

4.4.5. Как выглядит масштабная иерархия в молекулярной нанотехнологии?

Описанная выше иерархия взаимодействий представляет собой одну из важнейших проблем в развитии любой техники. Интересно, что нанотехнология предлагает нам одновременно два пути преодоления этого препятствия, в первом из которых иерархия создается в направлении «снизу вверх» (этот подход очевидно связан с биологическими процессами), а второй – в направлении «сверху вниз» (такой подход, естественно, повторяет историю развития полупроводниковой техники). В настоящее время усиленно разрабатываются различные небиологические микро-электро-механические системы (МЭМС), позволяющие создавать крошечные устройства и «загоняющие» исследования в «спираль», или «воронку», миниатюризации, знакомую всем специалистам в области полупроводников. При таком развитии каждый этап уменьшения размеров с неизбежностью влечет следующий, вследствие чего многие эксперты считают, что нанотехнология обречена на повторение истории полупроводниковой техники.

С другой стороны, нельзя не заметить многочисленных успехов, достигнутых на пути «биологического» преобразования вещества. Создание новых лекарств, манипуляции с биологическими тканями и генная инженерия наглядно демонстрируют огромный потенциал и возможности построения иерархии отношений в направлении «снизу вверх». Из последних достижений, полученных методикой «снизу вверх», можно особо выделить генетическую модификацию микробов, осуществляемую либо направленным генетическим сплайсингом, либо так называемой искусственной эволюцией.

4.4.5.1. Построение структур методом «сверху вниз». «Путь чипа»

О создании структур методом «сверху вниз» говорил в своей известной речи (лекция 1959 года в Калифорнийском технологическом институте, с которой многие специалисты связывают зарождение нанонауки вообще) знаменитый физик Ричард Фейнман, предложивший задуматься о последовательном процессе миниатюризации инструментов и соответственно изделий вплоть до наномасштабов. Кстати, именно по этому пути уже пошли некоторые связанные с полупроводниковой техникой компании, которые начали с создания упомянутых выше МЭМС и постепенно перешли к разработкам наноэлектромеханических систем (НЭМС).

Проектирование МЭМС уже привело к появлению заметных коммерческих продуктов, среди которых стоит отметить газонаполненные нанодатчики (используемые в автомобильной промышленности), насадки или сопла в современных струйных принтерах, некоторые новейшие медицинские устройства, фотонные переключатели в коммуникационных системах и мобильных телефонах. По прогнозамм In-StatJMDR, коммерческая прибыль от использования МЭМС должна возрасти от 4,7 миллиарда долларов (2003 год) до 8,3 миллиарда в 2007 году. Прогресс в этой области сейчас сдерживается главным образом возможностями существующей полупроводниковой промышленности, а также длительностью и сложностью монтажа новых производственных линий.

Характеристики очень многих нанотехнологических изделий, уже широко используемых в различных отраслях (энергетика, полупроводниковая техника, молекулярная электроника), могут быть значительно улучшены в близком будущем. Дело в том, что сейчас происходит интенсивное развитие новых технологических приемов и оборудования, специально создаваемого для нужд нанотехнологии. Из наиболее важных направлений развития в этой области необходимо выделить три.

• Нанолитография. В Техасском университете (город Остин) разрабатывается уникальный метод наноимпринтной литографии, который в настоящее время внедряется в серийное производство фирмой Molecular Imprint. Новая технология основана на использовании отвердеваемых под действием света жидких сред и кварцевых пластин, подвергаемых травлению, что позволяют существенно снизить стоимость изделий, получаемых нанолитографией. Эта литографическая технология недавно была специально введена в известный справочник ITRS Roadmap «Дорожная карта ITRS», где отмечается, что она имеет особую ценность в нанотехнологии, производстве МЭМС, микрогидродинамике, оптике, а также молекулярной электронике.

• Оптические ловушки. Фирма Arryx разработала прорывную технологию в обработке наноматериалов, в которой используются известные в лазерной технике оптические ловушки. Новая технология основана на использовании одного лазерного источника, излучение которого проходит через адаптивную голограмму. Она позволяет генерировать одним лазером сотни так называемых «лазерных пинцетов», каждый из которых может иметь собственную систему управления, в результате чего установка дает возможность манипуляции молекулярными объектами в трехмерном пространстве (включая перемещение, вращение, разрезание и установку в заданном месте). Не стоит и говорить о широчайших возможностях такой технологии: от работы с клетками и «монтажа» структур из нанотрубок до непрерывной обработки материалов, напоминающей механическую. Новая методика позволяет даже управлять движением органелл внутри живой клетки без повреждения последней, включая введение ДНК в ядро клетки.

• Метрология. В настоящее время атомные зондовые микроскопы производства фирмы IMAGO LEAP, позволяющие получать трехмерные изображения химических соединений и атомарную структуру объектов, уже применяются в производстве чипов и дисководов. В отличие от традиционных микроскопов, дающих просто изображение микроскопического объекта, микроскопы IMAGO (которые, конечно, следует называть наноскопами) позволяют анализировать структуру, так как их «сигналы» соответствуют положению атомов в данный момент времени. Они позволяют «сжимать» наблюдаемую картину и в оцифрованном виде получать изображение изучаемого объекта со скоростью около миллиона атомов в минуту. Такой подход открывает совершенно фантастические перспективы в получении визуальных изображений и исследовании атомарных структур вообще.

Развитие технических и инструментальных методов позволяет нам уже сейчас гораздо эффективнее управлять процессами преобразования вещества на наноуровне и, соответственно, создавать новые, более ценные устройства контроля. Обобщая сказанное, основные закономерности развития нанотехнологии «сверху вниз» можно свести к двум следующим основополагающим положениям:

• Подход «сверху вниз» создает множество преимуществ и удобств из-за своего очевидного родства (или преемственности) с полупроводниковой техникой и промышленностью. Прогресс в этом случае часто выступает в виде преодоления недостатков планарной технологии, что (в сочетании с новыми возможностями) значительно облегчает коммерциализацию и проблемы рынка, поскольку позволяет пользоваться установившимися стандартами и условиями.

• Иерархия масштабов и взаимодействий при этом, естественно, определяется и устанавливается в направлении «сверху вниз».

4.4.5.2. Биологический подход, или развитие технологии «снизу вверх»

В отличие от описанного выше развития технологии «сверху вниз», архетип биологического подхода «снизу вверх» характеризуется следующим набором особенностей:

• Образование и рост структур происходит по совершенно иным механизмам (репликация, эволюция и самоорганизация) в трехмерных и жидких средах.

• Основные ограничения взаимодействий обусловлены контактом с неорганическим окружением.

• Возможности теоретического исследования процессов ограничены и сводятся к использованию зачаточных представлений о биологии систем вообще, некоторых положений теории сложности и очень упрощенных данных о процессах возникновения структур.

• Все рассматриваемые в технологиях «снизу вверх» процессы характеризуются сильным влиянием иерархии масштабов исходных элементов и заложенным в эти элементы цифровым генетическим кодом.

Последний пункт имеет особую важность для биологических и медицинских исследований, поскольку практически все процессы, обеспечивающие жизнедеятельность человеческого организма, происходят за счет иерархически выстроенных процессов передачи информации. Биологам уже известно, что внутри клеток посредством рибосом постоянно осуществляется пересылка «оцифрованных инструкций» (в виде матричной или информационной РНК, мРНК), в соответствии с которыми и происходит формирование белков из аминокислот. Эти процессы имеют очень сложный характер и осуществляются через образование последовательности так называемых конкатенатов (комплексов из топологически связанных замкнутых молекул ДНК). Сама рибосома представляет собой поразительно эффективный и надежный образец «молекулярной машины», о которой так часто говорят в нанотехнологии. Эта структура с характерными размерами около 20 нм содержит всего 99 000 атомов, и с нее начинается процесс репликации и усложнения биологических систем. В соответствии с механизмом роста происходит непрерывное считывание генетического кода, заложенного в ДНК, который по очень многим каналам обратной связи вызывает последовательное укрупнение масштабов роста, вплоть до образования макроскопических живых организмов. В настоящее время биологи, образно говоря, поступают подобно компьютерным хакерам, взламывающим коды чужих систем и использующим содержащуюся в них информацию.

Можем ли мы использовать столь сложные процессы в молекулярной электронике и нанотехнологии вообще? В чем состоит их привлекательность для ученых и технологов? Прежде всего, использование биологических процессов дает нам возможность быстро находить новые технические решения, пользуясь уже созданными природой рецептами и компонентами. Биология предоставляет нам огромный выбор самых разнообразных «заготовок» в виде молекул и субсистем, которые уже сейчас используются для совершенно иных целей. Ниже приводятся удачные примеры инженернотехнического применения биологических систем.

Например, специалистам НАСА из Центра имени Эймса удалось выделить самоорганизующиеся белки из так называемых термофильных бактерий и, подвергнув их генетической модификации, создать на их основе абсолютно новое техническое устройство. Белки были осаждены на электродах таким образом, что из них образовалась регулярная решетка, или сетка (с промежутками в 17 нм), которая оказалась очень удобной средой для магнитной записи информации в дисководах или для производства солнечных батарей.

Сотрудники Массачусетского технологического института методом искусственной, ускоренной эволюции смогли не только быстро вывести новые штаммы бактериофага М13, но и инфицировать этими штаммами бактерии, в результате чего последние неожиданно оказались способны перерабатывать полупроводниковые материалы, изменяя их структуру с молекулярной точностью.

Крейг Вентер и Гамильтон Смит из Института альтернативной биологической энергетики (Institute for Biological Energy Alternatives, IBEA) в настоящее время осуществляют интересный проект под названием «минимальный геном» (Minimal Genome Project). Им удалось выделить из мочеполового тракта человек микроорганизм Mycoplasma genitalium и удалить из него 200 «бесполезных» генов, после чего в их распоряжении оказался как бы простейший организм, способный к саморепликации (заинтересовавшийся читатель может более подробно ознакомиться с этой работой по статье «Неестественный отбор» в газете «Время новостей» зот 03.07.2007. Прим. перев.). Сейчас исследователи пытаются использовать созданный искусственный геном в технических целях, придавая ему новые функциональные способности, позволяющие, например, получать водород при фотолизе воды под воздействием солнечного света.

Основные трудности в разработках, связанных с процессами «снизу вверх», обусловлены тем, что мы плохо понимаем закономерности явлений в этих микроскопических, но очень сложных системах, и нас может утешать лишь наблюдаемое в последние годы стремительное накопление экспериментальных и теоретических данных о них. Бурное развитие нанонауки привело к тому, что за последнее десятилетие в некоторых разделах генетики и медицины было получено больше сведений, чем за всю предыдущую историю науки. Кстати, упомянутый выше проект изучения микробов с минимальным геномом имеет особую ценность для биологии, поскольку с его помощью ученые надеются понять принципиально важный для биологии в целом механизм функционирования целостной протеомы и ее метаболизма. Дело в том, что действие генетического кода человека является исключительно сложным и связано с очень запутанной системой обратных связей, вследствие чего ученые надеются разгадать некоторые его тайны, пользуясь такими простейшими организмами, построенными по принципу «один ген – один белок».

4.4.5.3. Поучительный пример – гибридная молекулярная электроника

В ближайшие годы сразу несколько фирм приступят к реализации проектов, нацеленных на объединение достоинств обоих описанных выше подходов. Речь идет о попытках практически организовать самосборку органических молекул по принципу «снизу вверх» на изготовленных методами «сверху вниз» кристаллических подложках. Заранее подготовив некоторые участки подложек для самосборки, технологи надеются получить коммерческую продукцию, большим преимуществом которой будет наличие уже сформированного рынка.

Например, фирма ZettaCore в Денвере приступает к производству молекулярных запоминающих устройств, принцип действия которых напоминает механизм усвоения энергии хлорофиллом. Фирма использует синтетические органические молекулы порфирина, которые на поверхности облучаемой кремниевой пластины способны к самоорганизации, или самосборке. При этом образуются мультипорфириновые наноструктуры, способные окисляться и восстанавливаться (теряя или присоединяя электроны соответственно). Процессы окисления-восстановления являются устойчивыми, воспроизводимыми и обратимыми, что позволяет использовать такие поверхности в качестве надежных сред записи информации в различных электронных устройствах. Более того, такая среда не только может хранить информацию достаточно долго, но и позволяет записать значительно больший объем информации, чем обычные диски, так как благодаря возможным пространственным конфигурациям каждая молекула имеет восемь разных устойчивых состояний.

В будущем технологи планируют создать на этой основе крупные трехмерные запоминающие устройства с ничтожным энергопотреблением, а сейчас им удается только довести характеристики новых сред до стандартного уровня существующих двухмерных дисков. Наиболее интересным и перспективным для коммерциализации обстоятельством выступает тот факт, что конечный продукт, то есть производимый фирмой ZettaCore чип для запоминающих устройств, внешне ничем не отличается от существующих кремниевых чипов, так что потребитель может даже не догадываться о его сложном внутреннем «нано-устройстве». Новый чип будет обеспечивать большую плотность записи всего устройства в целом, но при этом разъемы, контакты, декодеры, усилители и т. п. будут производиться обычными методами и соответствовать всем существующим стандартам полупроводниковой техники. Лишь на последней технологической стадии поверхность кремниевых кристаллов будет «заливаться» требуемыми молекулами, которые и начнут процессы самосборки на подготовленных участках.

С точки зрения коммерциализации проект сулит безусловные и важные преимущества, поскольку новые устройства могут сразу занять свою «нишу» на рынке, так как они совместимы со всем ранее выпущенным оборудованием. Кроме того, реорганизация производства не будет очень сложной, поскольку в процесс изготовления следует добавить лишь несколько технологических операций, причем на конечных этапах. Последнее условие имеет особое значение, поскольку любое изменение технологии на ранних этапах обработки может оказывать какое-то косвенное воздействие на последующие операции (обычно такие изменения в технологии всегда сопровождаются дополнительными проверками, что, естественно, затягивает процесс внедрения).

Уже накопленный опыт фирмы ZettaCore позволяет предположить, что первых успехов в молекулярной электронике можно ожидать в производстве простых, одномерных структур (например, химических датчиков) или двухмерных самоорганизующихся структур на стандартных кремниевых подложках, таких как чипы для запоминающих устройств, решетки из датчиков, дисплеи, солнечные батареи и т. п.

4.4.6. Проблемы интеллектуальной собственности в разных моделях бизнеса

Сроки коммерциализации любого научного проекта определяются не только техническими трудностями создания конкретного продукта, но и весьма существенно зависят от его стоимости и масштабов производства. Инновационный бизнес очень часто строится на взаимоотношениях разработчика с более крупными фирмами-производителями, успешное сотрудничество с которыми может значительно ускорить продвижение нового товара на рынок. Это обстоятельство, естественно, связано с правами на интеллектуальную собственность.

Степень защиты прав на интеллектуальную собственность в нанотехнологии обычно определяется областью бизнеса, к которой относится инновация, и желаемой степенью защиты. Например, если разработчик желает серьезно защитить патентами состав предлагаемого им нового материала, он может воспользоваться системой патентования и лицензирования, уже существующей в биотехнологии. Создатели устройств молекулярной электроники, например, должны подбирать себе в качестве партнеров (для организации производства, маркетинга и продажи) крупные компании, связанные с полупроводниковой техникой, а биотехнологические лаборатории ищут связи с крупными фармакологическими компаниями (для проведения клинических испытаний, маркетинга, продажи и распространения). В каждом таком случае более крупный и влиятельный партнер несет значительные расходы на этапе подготовки производства и оформления документов (в настоящее время они обычно составляют около 100 миллионов долларов), а инновационная фирма надеется получить прибыль в виде так называемой лицензионной платы (роялти).

Легко заметить, что стоимость сделок с интеллектуальной собственностью сильно зависит от того, к какой области бизнеса относится инновация и насколько защищены в ней права на используемую интеллектуальную собственность. Например, в производстве программного обеспечения ситуация такова, что у любого разработчика очень мало шансов завязать партнерские отношения с фирмой Microsoft и получить от нее лицензионную плату. Производственное партнерство является распространенной практикой в полупроводниковой промышленности, где часто используется модель бизнеса, при которой принято разделять на части общую стоимость продукта. Обычно эта стоимость рассматривается в качестве единого параметра, складывающегося из стоимости отдельных этапов изготовления продукта: концептуализация, проектирование, производство, испытания, упаковка. Разделение стоимости по этапам обусловлено тем, что производство в полупроводниковой промышленности требует больших капитальных затрат. Эта модель иногда очень удобна для малых компаний, желающих быстро организовать производство своих товаров, однако в дальнейшем такие компании могут столкнуться с проблемами обеспечения доступа к рынку, маркетинга, распределения и продажи.

Серьезное рассмотрение проблем программного обеспечения устройств молекулярной электроники в свете рассматриваемого нами закона Мура приводит нас к необходимости анализа целой последовательности, или «лестницы», абстрактных понятий, связанных с объединением и усложнением систем вообще.

4.5. Системы, программное обеспечение и другие абстракции

В отличие от обычных чипов или интегральных схем (представляющих собой просто упорядоченный набор элементов) использование процессоров и логических схем всегда основано на сложной и многоуровневой системе связи с окружением. Разработчиков логических микросхем постоянно беспокоит не число используемых транзисторов, а проблема правильной компоновки и соединений. Некоторые компании, связанные с разработкой процессоров следующих поколений, даже выработали новый подход к усовершенствованию «кремниевых систем» с распределенными связями, при котором локализуются «зашитые» программы, после чего проектировщики могут повышать качество не за счет монтажа и новых логических вентилей, а используя языки высокого уровня. Введение такой иерархии элементов (и абстрактных понятий) может значительно облегчить работу проектировщиков компьютерной техники.

Интересно рассмотреть следующую проблему, которая на первый взгляд может показаться слишком общей и расплывчатой. Дело в том, что когнитивные (познавательные) возможности человека представляются относительно ограниченными и постоянными, в то время как закон Мура как бы безоговорочно (и даже «безжалостно») диктует непрерывный рост совершенствования. Экспоненциальный рост интеллектуальной мощи человека действительно происходит, но он обеспечивается использованием все более совершенных инструментов и вычислительных устройств. Например, за последние десятилетия человеческий разум добился блестящих успехов в развитии аппаратных средств вычислительной техники. Сейчас дальнейший рост чисто технических возможностей аппаратуры усложняется, и это наводит на мысль, что следующие этапы развития интеллекта могут быть связаны лишь с развитием абстракций в области программного обеспечения (поясню, что слово «абстракция» в данном случае – возможность описания и использования сложной системы без детального знания реальной внутренней структуры). По-видимому, дальнейшее усложнение и повышение характеристик вычислительных систем будет неизбежно связано с развитием так называемых сложно-распределенных систем (иногда упоминается возможность создания «распределенного интеллекта»). Образно говоря, это означает возникновение новых идей и «вдохновения» на основе биологии.

В настоящее время ученые многих стран включились в «гонку», связанную с полным описанием генома человека и расшифровкой протеомы. Конечно, эти исследования имеют огромное значение собственно для медицины (они и начинались с поисков новых методов диагностики и лечения), однако, мне кажется, что они приведут к возникновению множества интересных идей и моделей в программировании и развитии теории сложных систем.

4.5.1. Биологическая муза нанотехнологий

Уже сейчас многие важные задачи программного обеспечения оказываются связанными с развитием и функционированием очень сложных систем, напоминающих биологические, а в некоторых случаях эти задачи имеют прямые биологические аналоги (которые, по-видимому, можно назвать биологическими метафорами). Я перечислю лишь наиболее известные из проблем и конкретных проектов, родство которых с биологией проявляется даже в названиях: «Биомиметика», «Искусственная эволюция», «Генетические алгоритмы», «A-жизнь», «Возникновение» (Emergence), Automatic Computing initiative фирмы IBM, Viral Marketing, Mesh «Сито», Hives «Пчелиные улья», Neural Network «Нейронная сеть», Subsumption architecture в робототехнике и т. п. В известном институте Санта-Фе недавно приступили к реализации исследовательского проекта с символическим названием BioComp.

Иными словами, сейчас биология вдохновляет и направляет информационные технологии (ИТ), которые, в свою очередь, способствуют бурному развитию самой биологии. Связь ИТ с биологией представляется почти очевидной. Предлагаю читателю подумать о следующей проблеме. Генетический код каждого человека представляет собой полную биологическую программу, описывающую рост и работу клеток, органов, тела и мозга. Эта программа вполне может быть записана на компакт-диске CD, причем эта запись займет меньше места, чем программа Microsoft Office. Ничего сложного в этом нет, так как речь идет о цифровой записи текста, закодированного всего четырьмя «буквами», в качестве которых выступают четыре химических основания, входящие в состав ДНК (их обозначают буквами A, B, C и D). Объем всей записи составляет 750 MB и может быть очень сильно сжат из-за наличия в цепочке ДНК «ненужной» информации. Многие ученые убеждены в том, что основную часть генома человека занимают «отходы» эволюционного процесса, то есть большие участки ДНК не имеют практической ценности для жизнедеятельности. Это позволяет снизить объем требуемой информации до 60 MB. Устанавливая недавно офисную программу, я вновь поразился тому, сколь малым количеством информации описывается чудо человеческой жизни. Речь идет, конечно, о биологическом организме, а исключительная сложность нашего поведения объясняется использованием в мозгу нелинейной (так называемой нечеткой) логики с множеством обратных связей через электрические, физические и химические взаимодействия.

Например, уже в мозгу человеческого зародыша закладывается первичная межнейронная «связь», основанная на существовании химических градиентов. в мозгу взрослого человека существует такое огромное количество нейронных связей, что для их записи и описания объем ДНК является просто недостаточным (мозг содержит около 100 триллионов так называемых синапсов, или каналов связи, между 60 миллиардами нейронов). Столь сложная система не может быть просто «инсталлирована» (подобно обычной программе Microsoft Office), а ее появление скорее следует описывать термином «выращивание». Рост системы происходит сначала посредством образования связей между «статическими вихрями» положительной электрохимической обратной связи, а позднее за счет усиления наиболее часто используемых обратных связей и их непрерывного роста. Примерно к возрасту 2–3 года человеческий мозг формируется в общих чертах, образуя систему с квадрильоном синапсов.

Мозг человека давно служит образцом или целью множества исследований, посвященных искусственному интеллекту (ИИ). Исходной моделью для программистов часто выступала нейронная сеть с очень развитой (или даже полной) связью между узлами, которая затем развивается за счет усиления и развития связей, использующихся чаще. Итерационные процессы, приводящие к усилению таких соединений, заставляют систему развиваться и создают в ней новые цепочки обратных связей. Вначале развитие систем ИИ такого вида происходит по заданным правилам, однако постепенно они начинают «выходить» за рамки исходных программ, после чего часто приобретают способность осуществлять некоторые характерные для человека действия. Такие искусственные нейронные сети можно научить распознавать человеческую речь и некоторые образы, преодолевать внешние «шумы» и т. д. Очень часто, пользуясь именно таким «саморазвитием» систем, ученым удавалось решить сложные задачи, с которыми не справлялись традиционные компьютерные программы.

Закодированная в ДНК программа является исключительно мощной, поскольку в ней «спрятано» множество обратных связей, обусловленных сложными взаимодействиями между множеством генов. Например, так называемые регуляторные гены производят белки, которые способны реагировать на внешние или внутренние сигналы, регулируя активность ранее созданных белков или других генов. В результате работы этой сложнейшей биохимической «машины» возникает то, что можно назвать разветвленной системой прямого и косвенного управления.

Высокий уровень общей сложности рассматриваемых систем обрекает на неудачу многие попытки регулировать их поведение за счет очень ограниченного знания относительно побочных эффектов (это часто проявляется в тех случаях, когда исследователи изменяют лишь один ген ДНК и пытаются проследить и понять последствия этого действия). Например, недавно генетические эксперименты позволили повысить способность к запоминанию, но оказалось, что одновременно это повышает чувствительность организма к болевым ощущениям!

Продолжая аналогию, можно сказать, что наш генетический код представляет собой очень плотную сеть с множеством гиперссылок, напоминающую паутину связей в Интернете. Компьютерщики и программисты уже не раз с удивлением обнаруживали, насколько эффективным может оказаться использование непрямых указателей или так называемых рекурсивных связей. В самое последнее время биологические системы «вдохновили» исследователей на развитие эволюционного программирования, при котором создаваемые программы могут изменяться и развиваться за счет взаимной конкуренции, что весьма напоминает процессы естественного отбора при мутациях в биологии. Попытки такого рода позволяют перекинуть мостик от локальных процессов оптимизации (давно известных в математике) к общим задачам эволюции.

Нельзя забывать, что мы имеем дело с очень сложными системами и практически не имеем опыта долговременного общения с искусственно эволюционирующими системами. Наши знания в этой области очень ограниченны. Одним из примеров может служить появление в биологических системах нейронов, что привело к детерминистическому развитию многих важных функций живых существ. Именно с появлением нейронов биологи связывают с так называемый кембрийский взрыв в развитии биологических форм, когда за короткое время резко возросла структурная сложность организмов и на планете появилась разумная жизнь. До этого биологическая жизнь на Земле ограничивалась только существованием капель из клеток, но возникновение у них нейронов позволило быстро сформироваться значительно более сложным формам.

Последние достижения в робототехнике напоминают об архитектуре, характерной для биологической эволюции, когда полный набор правил поведения и реакций всей системы создается постепенно и по принципу «снизу вверх». Наиболее простые «рефлексы» таких роботов вырабатываются на самых ранних стадиях развития и остаются в дальнейшем неизменными, хотя вся система в целом продолжает усложняться. Субсистемы, возникающие в самом начале развития, входят затем в состав более сложных образований, выполняя более сложные функции, и т. п. В этих случаях разработчики часто не могут предсказать поведение развиваемой ими модели, поскольку ее архитектура напоминает строение нейронной цепи.

Мировую паутину (Web) можно считать первым в истории крупномасштабным экспериментом выращивания распределенной технологической системы по законам биологии. Развитие новых видов программного обеспечения и появление связанных с сетью дешевых «встроенных» систем служат косвенным доказательством того, что новые формы искусственной жизни скорее самопроизвольно возникнут в Интернете, чем в результате усилий программистов. Кстати, выше я уже использовал чисто биологическую метафору viral (вирулентный, вирусный) в названии одного из проектов, посвященных существующей в сети экономике.

4.5.2. Ускорители нанотехнологии. Квантовое моделирование и масштабные эксперименты

Выше говорилось о том, что научные достижения имеют тенденцию «эмигрировать» из лабораторий и превращаться в инновационные проекты, причем этот процесс протекает ускоренно, что и описывается законом Мура. Многие компании пользуются для расчета новых систем различными вычислительными приемами, но при этом следует помнить, что моделирование наномасштабных объектов и процессов связано с серьезными теоретическими проблемами. Дело в том, что неоднократно упоминавшиеся уникальные свойства наноматериалов обычно бывают связаны с квантовыми эффектами, которые до сих пор во многом остаются непонятными и загадочными. Физики почти сто лет назад вывели уравнения для квантовых систем и даже умеют аналитически решать некоторые из них. Однако эти уравнения настолько сложны, что и самые совершенные компьютеры могут пока численно моделировать поведение лишь очень простых квантовых систем, типа атома водорода. К глубокому сожалению, это означает, что в нанонауке и нанотехнологии ученые вынуждены пока пользоваться почти исключительно эмпирическими методами, то есть создавать некие нанообъекты в лабораториях, а затем классическим методом проб и ошибок выяснять свойства и характеристики этого объекта.

Разумеется, это обстоятельство весьма огорчит и разочарует многих ученых и инженеров, уже привыкших при проектировании пользоваться разнообразными компьютерными программами (подобными CAD, Computer Aided Design), позволяющими еще на стадии разработок визуализировать объекты. Ничего подобного нельзя осуществить на компьютерах с традиционной архитектурой, и моделирование нанообъектов представляет собой пока неразрешимую задачу, что имеет не только теоретическое, но и сугубо практическое значение. Дело в том, что обычно компьютерное моделирование позволяет значительно сократить время и расходы на стадии разработок нового товара, и это очень важно для любого серьезного коммерческого проекта. Серьезных инвесторов отпугивает возможность затягивания (и соответственно удорожания) стадии научно-исследовательских и конструкторских работ, что может грозить зарождающейся науке и технологии большими сложностями. Кстати, когда-то в таком положении оказалась биотехнология, но ее спасло то, что в качестве инвесторов выступали могущественные и богатые фармацевтические компании, сумевшие довести продукты до коммерциализации.

Представляется удивительным и символическим, что одно из решений проблемы компьютерного моделирования квантовой механики предлагает сама квантовая физика, посдавшая идею создания совершенно нового типа вычислительных устройств (квантовых компьютеров), позволяющих фантастически повысить быстродействие и другие характеристики компьютеров. Более того, принцип действия квантового моделирования напоминает поведение естественных систем, то есть позволяет буквально обойти препятствия традиционной вычислительной техники за счет квантовых эффектов! Можно лишь надеяться, что как только такие квантовые компьютеры будут реально созданы, то именно их начнут использовать ученые для немыслимо сложных расчетов характеристик наномасштабных объектов. На этой стадии нанотехнология станет напоминать современное моделирование и проектирование авиационно-космической техники, которое уже сейчас может осуществляться виртуально, то есть без использования данных, получаемых экспериментально в аэродинамических трубах или их химических аналогах.

На первый взгляд ситуация кажется странной и необычной, но, в сущности, она является совершенно естественной. Обычные компьютеры очень удобны для расчета привычных макроскопических (то есть не квантовых) систем, например автомобилей или самолетов, а для моделирования квантовых систем мы должны придумать и создать именно квантовые компьютеры! Каждый уровень реальности должен описываться собственным языком и собственным типом компьютеров!

Одна из компаний, нацеленных на создание квантовых компьютеров, сейчас пытается заменить кремниевые технологии алюминиевыми, и очень надеется, что в 2008 году сможет сконструировать вычислительную схему размером с ноготь, превосходящую по мощности все существующие на планете компьютеры вместе взятые. Возможно, подобные устройства смогут действительно решать задачи квантовой механики и позволят нам поставить проектирование наносистем и нанообъектов на промышленную основу, что будет означать принципиально новую стадию в развитии нанотехнологий. Потенциальные возможности квантовых компьютеров представляются настолько фантастическими, что профессор Оксфордского университета Дэвид Дейч даже заявил: «Квантовые компьютеры будут способны решать задачи, на которые современным ЭВМ потребовалось бы время, превосходящее возраст Вселенной!»

Иногда утверждается, что каждый физический эксперимент может быть сведен к сложной процедуре расчета, и для подтверждения (или реализации!) этой точки зрения квантовые компьютеры совершенно необходимы расширения действия закона Мура на квантовые (нанометровые) объекты. С другой стороны, продолжаются и должны продолжаться научные эксперименты в этой области. Стоит особо отметить, что вплоть до самого последнего времени методы создания новых функциональных материалов практически не отличались от тех, которыми руководствовались ученые сотни лет назад. Создание новых материалов и сейчас в огромной степени зависит от личного мастерства и искусства ученого, обычно интуитивно угадывающего удачное сочетание компонент из немыслимого множества вариантов, а затем старательно исследующего и улучшающего полученное вещество. Неожиданные открытия в этой области обычно требуют нескольких лет изнурительного труда!

Некоторые компании (Affimetrix, Intematix и Symyx) предложили новый методологический подход к решению описываемых задач, который может быть назван «массовым экспериментированием». Метод фактически означает применение в материаловедении давно используемого химиками и фармацевтами скрининга, то есть массового обследования веществ с заданной целью. Новый подход с комбинированием огромного числа компонент уже доказал свою высокую эффективность, позволяя получать новые материалы в 100 раз быстрее, чем по традиционным методам. Указанным фирмам уже удалось разработать таким способом некоторые материалы для топливных элементов, батарей, полупроводниковой техники, светоизлучающих диодов и т. п.

Метод, который может быть по праву назван «материаловедческой комбинаторикой», обещает в будущем вытеснить все традиционные способы, поскольку он позволяет образовывать и испытывать сочетания огромного числа известных веществ. В дальнейшем, вполне возможно, речь будет идти и о полном «переборе» всех возможных сочетаний, то есть создании полной «библиотеки материалов», возможность применения которых в конкретных задачах будет изучаться параллельным массовым тестированием, типа применяемого в комбинаторной химии и фармацевтической промышленности. Автоматизированные системы смогут за короткое время «вырабатывать» ту информацию, на получение которой исследователи раньше тратили годы изнурительного труда, что, естественно, существенно ускорит научно-исследовательские и конструкторские разработки во многих областях.

4.6. Попытки прогнозирования

Завершая разговор о коммерциализации нанотехнологий, автор предлагает некоторые соображения и прогнозы развития в этой области.

4.6.1. Краткосрочная перспектива, быстрое получение прибыли

• Изготовление инструментов и некоторых новых материалов (порошки, композиты) на основе нанотехнологий. Некоторые компании организовали такие производства и уже становятся доходными.

• Производство одномерных химических и биологических датчиков, портативных медицинских и диагностических устройств.

• Начало производства микроэлектромеханических устройств (МЭМС)

4.6.2. Среднесрочная перспектива

• Начало производства двухмерных наноэлектронных устройств (запоминающие устройства, дисплеи, солнечные батареи).

• Появление иерархически структурированных наноматериалов и освоение самосборки биомолекул в нанотехнологических процессах.

• Эффективное использование наноустройств для аккумулирования и преобразования энергии.

• Развитие методов пассивной доставки лекарств в организме и диагностики. Производство имплантируемых медицинских наноустройств.

4.6.3. Далекая перспектива

• Развитие трехмерной наноэлектроники.

• Развитие наномедицины. Разработка искусственных хромосом.

• Использование квантовых компьютеров для расчета характеристик молекул и других нанообъектов.

• Начало массового производства нанотоваров.

Разумеется, наиболее честным прогнозом в долгосрочной перспективе стало бы заявление, что самые важные и интересные открытия еще подлежат «открытию» и таят в себе множество непредсказуемых возможностей. Вообще говоря, будучи последовательным, разумно предположить, что нанотехнологии со временем смогут достигнуть такой миниатюризации объектов, которую мы не можем себе даже представить, особенно с учетом тенденции к «оцифровыванию» всего окружающего, в результате чего (как это ни странно звучит) неким кодом может оказаться и сама материя. Как и в случае оцифровывания музыкальных произведений, процесс изучения неожиданно может привести нас не только к высочайшей точности воспроизведения, но и к новым возможностям «перераспределения» элементов текста. Иными словами, мы сможем обращаться с веществом примерно так, как современные музыканты и композиторы обходятся с текстами любых музыкальных произведений, варьируя и перетасовывая их в любых сочетаниях (собственно говоря, это означает превращение науки в технологию).

После создания самовоспроизводящихся молекулярных машин физика (возможно, неожиданно для самих физиков) рискует быстро превратиться в одну из отраслей цифровых технологий. Основой любого производства новых устройств и материалов до сих пор всегда выступало обнаружение новых закономерностей, но новая парадигма позволит осуществлять «планирование» открытий, логистику развития и оптимальное использование ресурсов почти без участия человека, что в течение нескольких десятилетий должно радикальным образом изменить подход к научному творчеству. Гибкое, быстрое, автоматизированное и предельно экономное производство любых физических объектов может изменить не только общий подход к производству, но даже и само представление о правах собственности.

Серьезнейшие грядущие перемены в процессах производства любых товаров (буквально «всего на свете») должны, конечно, как-то отразиться в социальной структуре. Когда-то автор одного из фантастических романов придумал производство стоимостью в 1 доллар за фунт «чего угодно», но реальный переход к технологическим процессам типа биологических должен привести нас к каким-то принципиальным проблемам, относящимся к основам самого существования человечества и пределам его развития.

4.7. Этические проблемы. Гены, мемы и оцифровывание

Протекающие при таком развитии событий общественные процессы вовсе не будут «гладкими» или простыми, особенно если учесть возникающие возможности изменения самой наследственности человеческих существ. Вообще говоря, до сих пор человеческая история строилась по принципу свободной «генетической беседы» и вариантах ее развития (представьте себе генетический код в качестве одного из текстов, требующих обсуждения и голосования!). Историк Лэрри Лессиг предупреждает, что мы можем вновь попасть в ситуацию, которая возникла более 200 лет назад при заключении знаменитой Декларации независимости США. Любые высказывания в пользу ограничения «свободной речи» будут восприниматься как «дурные» или неправильные, поскольку при строгом научном подходе должны быть рассмотрены все «высказывания», а истина устанавливается именно при свободном обмене идеями. Появление в жизни или на рынке искусственных хромосом (особенно с возможностью их воздействия на граждан в зрелом возрасте) приведет к ожесточенным спорам относительно прав родителей и наследственного права вообще (в качестве шутки можно только предложить, чтобы такие социальные эксперименты осуществил Китай, с его известной традицией почитания предков!).

Реальная проблема состоит в том, что подсознательно мы, люди считаем себя венцом эволюции. В любых спорах относительно искусственного интеллекта и генетического улучшения человеческой природы можно заметить глубоко укоренившийся страх перед теми стремительными переменами (буквально в течение жизни одного поколения), которые наука неожиданно предложила человечеству. Например, совершенно неясно, как должен реагировать человек на возможность существенного изменения собственной природы (проще говоря, желаете ли вы, чтобы ваши внуки значительно превосходили вас по интеллекту и физическому развитию?). В этой ситуации мы стоим перед непростым выбором между собственным эгоизмом и вечной мечтой человечества о хотя бы символическом бессмертии.

4.8. Заключение

Предсказания будущего трудны и становятся все труднее по мере ускорения развития науки. Можно считать, что именно нанотехнология является следующей великой «волной» в этом процессе, подтверждающей общность и величие закона Мура. Нанотехнологические инновационные разработки обещают возникновение множества прорывных бизнес-проектов, которые могут «взорвать» социальное равновесие и одновременно позволят нам «свести» вещество к какому-то коду, поддающемуся нашему воздействию и изменению. В близком будущем человечеству придется, по-видимому, пережить период бурного, экспоненциального роста новых технологий, связанного со слиянием целого ряда традиционных наук (особенно биологии, информатики и т. д.) и их взаимным обогащением и «перекрестным опылением».

Специалисты фирмы DFJ, которую я представляю, считают наше время наиболее подходящим периодом для инвестиций в инновационные компании (старт-апы). Эволюционный «взрыв» в далекой кембрийской эре породил множество новых форм жизни. Тогда каким-то организмам пришлось исчезнуть, но возникшие при «взрыве» виды смогли преобразовать окружающий их мир.

Глава 5

Инвестиции в нанотехнологию

Объем и направления развития нанотехнологий в будущем определяются теми инвестициями, которые вкладываются в них сейчас. Вложения в нанотехнологии осуществляются главным образом посредством заключения партнерских соглашений и лицензирования, а не создания новых компаний, нацеленных на безудержный рост. Венчурным капиталистам (ВК) можно смело рекомендовать вкладывать капиталы даже в тех случаях, когда направления развития новых технологий очень слабо связаны с привычной областью деятельности. Венчурными вложениями занимаются капиталисты, склонные рискнуть не очень большими деньгами в надежде на значительную прибыль в будущем. В этой главе рассматриваются некоторые проблемы финансирования нанотехнологических разработок венчурными фирмами и государственными организациями.

5.1. Инвестирование венчурного капитала

Даниэл В. Лефф

Долгие годы Даниэл В. Лефф был старшим компаньоном известной юридической фирмы Sevin Rosen Funds (Даллас, штат Техас), занимаясь проблемами финансирования организаций и производств, связанных с полупроводниковой промышленностью. Затем он перешел на работу в коммерческую группу Harris&Harris Group, где координировал финансовую деятельность многих известных инновационных фирм, включая Nanomix, InnovaLight, Sana Security и D2Audio.

Д. В. Лефф защитил докторскую диссертацию в отделении химии и биохимии в Калифорнийском университете Лос-Анжелеса (UCLA) под руководством профессора Джеймса Р. Хита (кстати, лауреата 2000 года премии Фейнмана в области нанотехнологий). Он является автором многих научных публикаций и двух патентов в этой области, а также входит в состав консультативных советов двух влиятельных инновационных организаций (NanoBusiness Alliance и California NanoSystems Institute, CNCI).


Обычно венчурный капитал вкладывается в начинающие, необеспеченные фирмы, единственным преимуществом которых является интересная научно-техническая разработка или идея, позволяющая надеяться на развертывание широкого производства и получение серьезных прибылей. В последние годы именно венчурный капитал был и остается важнейшим источником финансирования новых компаний, связанных с высокими технологиями (так называемых старт-апов). При этом венчурные капиталисты выступают в качестве агентов, находящих финансовые ресурсы для разработок и продвигающих новые товары на рынок, в обмен на оговоренное участие в собственности и будущих доходах. При этом они надеются добиться успеха за несколько лет (обычно за период от 4 до 7 лет), обеспечив в дальнейшем прибыльность 30–50 % в год от исходных вложений. Как показывает опыт, за указанный промежуток времени инновационные фирмы либо добиваются заметного начального успеха, либо разоряются, сливаются с другими и т. д.

Конечно, для венчурных капиталистов представляет интерес лишь небольшая часть высокотехнологических стартовых компаний, что особенно важно для нанотехнологий, поскольку коммерциализация нанонауки вообще только начинается. Принимая решение об инвестициях в стартовые компании, ВК-инвесторы обычно оценивают ситуацию на основе пяти следующих требований: (1) наличие инновационной или прорывной научно-технической идеи (с достаточно хорошо защищенными правами на интеллектуальную собственность), обещающей в будущем появление конкурентоспособного продукта; (2) существование обширного и быстро растущего рынка; (3) возможность быстрой (1–3 года) организации коммерческого выпуска каких-то новых продуктов; (4) наличие слаженной и опытной команды менеджеров и (5) возможность быстрого нахождения рынка сбыта и стратегических партнеров по бизнесу на основе разумных прогнозов высокой прибыльности.

Разумеется, большинство стартовых инновационных компаний не может обладать всеми этими достоинствами, или (что еще более вероятно) такие оценки провести невозможно. В реальной жизни стартовые компании обычно начинают существование без достаточного финансирования, с неполной командой менеджеров, без заказчиков и стратегических партнеров по бизнесу и т. д. Все эти недостатки часто с лихвой искупаются только тем, что во главе старт-апов стоят пассионарные и воодушевленные руководители, верящие в успех, способные организовать разработки и объединяющие сотрудников в единую группу.

5.1.1. Вложение венчурных капиталов в нанотехнологии

Представляется очевидным, что нанотехнологии относятся не к отдельному, сектору рынка, а скорее представляют собой целый набор уже существующих (и бурно развивающихся) новых технологий, способных внести весьма существенные изменения практически во все высокотехнологические отрасли промышленности. Уже сейчас отчетливо прослеживаются огромные возможности применения новой науки в телекоммуникационной технике, биотехнологиях, микроэлектронике, текстильной промышленности и энергетике. Многие инвесторы, кстати, вкладывая деньги в нанотехнологии, исходят исключительно из уникальных возможностей и свойств новых товаров, материалов и процессов. Разумеется, о проблемах нанотехнологий не задумываются и покупатели новых товаров и услуг, которых привлекают лишь преимущества новых товарам по стоимости либо свойствам (или по обоим параметрам).

Применение нанотехнологии для производства новых товаров связано либо со свойствами получаемых нанотехнологией материалов, либо с процессами их обработки на нанометрическом уровне. Следует сразу отметить, что наноматериалы в некоторых случаях действительно обладают множеством уникальных характеристик (включая оптические, электронные, магнитные, физические и химические), что само по себе создает чрезвычайно интересные возможности для их использования и комбинирования с уже существующими технологиями. Неожиданно выяснилось, что фундаментальные свойства и характеристики веществ можно варьировать в широких пределах, изменяя не их химический состав (обычный путь технологов и материаловедов), а физические масштабы элементов системы.

5.1.2. Нанотехнологические инновационные фирмы

По-видимому, в отличие от бурного и непредсказуемого развития Интернет-компаний в 90-е годы прошлого века, рост нанотехнологических инновационных фирм не будет нарушать фундаментальные законы бизнеса, то есть может быть охарактеризован стандартными представлениями промышленной и деловой активности. Другими словами, развитие нанотехнологий может быть связано, как всегда в бизнесе, с возможностью личного выбора, привычной стратегией торговых операций, стремлением к расширению производства, эффективным распределением капиталов, маркетингом обычного типа и другими параметрами, описывающими развитие новых отраслей производства и бизнеса.

С другой стороны, общее сходство инновационных компаний в области нанотехнологий проявляется в наличии некой научно-технической платформы и команды высокопрофессиональных ученых. Чаще всего такая команда не имеет формального бизнес-плана, сведений о рыночной конъюнктуре, продуманной стратегии выпуска товаров и даже состава менеджеров. Еще одной важной особенностью таких групп часто является их связь с крупными учеными и ведущими научными центрами. Иногда проблема развития сводится к тому, что такие группы и их руководители пользовались ранее лишь грантами на научные исследования, и испытывают затруднения, когда приходится переходить от лабораторных разработок к проектированию и набирать дополнительный персонал из других областей науки и техники или взаимодействовать с другими инновационными компаниями.

Естественно, что почти всегда такие группы состоят из классных специалистов (химиков, физиков, биологов, электронщиков и материаловедов), связанных с междисциплинарными исследованиями (это обстоятельство характерно практически для всех наноразработок, требующих высокого профессионализма). Обычно инновационные компании в области нанотехнологий начинают с поиска более крупных и финансово обеспеченных партнеров, надеясь получить от них не только техническую и инвестиционную поддержку, но и некоторый доступ к уже существующим каналам сбыта и распределения планируемых к коммерческому производству товаров и услуг.

С точки зрения коммерциализации инновационные фирмы (старт-апы) в области нанотехнологий удобно с самого начала разделить на шесть больших групп, в соответствии с областью научных интересов и приложений (наноматериалы и их обработка, нанобиотехнологии, нанопроекты в области программного обеспечения, нанофотоника, наноэлектроника и инструментальная база нанотехнологии). Особый интерес для коммерциализации представляет первая из упомянутых категорий, поскольку многие компании, связанные с наноматериаловедением, уже выпускают множество материалов. Такие фирмы часто пытаются одновременно расширить производство и развить методы обработки или применения новых материалов исходя из их необычных свойств и возможностей, поскольку новые материалы действительно значительно превосходят существующие по важнейшим характеристикам (прочность, сопротивление нагрузкам и «царапанью», высокие коэффициенты электро– и теплопроводности, износостойкость и т. д.). Многие из таких материалов уже выпускаются коммерчески, вследствие чего большинство инновационных фирм в области нанотехнологий связано именно с материаловедением, хотя можно отметить, что по объему инвестиций сейчас лидируют фирмы, занятые наноэлектроникой, нанофотоникой и оборудованием для исследований в области нанонауки.

Конец ознакомительного фрагмента.

Оглавление

* * *

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности (Линн Фостер, 2006) предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Купить и скачать полную версию книги в форматах FB2, ePub, MOBI, TXT, HTML, RTF и других

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ э ю я