Концепції розвитку сучасних технологій та енергетики

2. Сучасні засоби накопичення інформації

Поява наскельних малюнків і написів свідчить про прагнення людини ще в стародавні часи зберегти свої спостереження, передати їх нащадкам. Пізніше стали писати на глиняних пластинах, свитках папірусу, а приблизно півтора тисячоліття тому з'явився і понині найпоширеніший носій інформації - папір. Але ось настав вік електроніки і приніс у повсякденне життя ще одну новинку - ЕОМ - своєрідний джерело премудрості людини. Папір, вірою і правдою служила людині 15 століть, починає поступово здавати деякі позиції своєї абсолютної монополії. Наближається ера безпаперовій цивілізації, і найважливіше місце в ній відводиться електронної обчислювальної техніки, в першу чергу мають широке поширення персональних комп'ютерів.
Персональні комп'ютери, об'єднані в локальні мережі, дозволяють десяткам і сотням користувачів легко обмінюватися інформацією і одночасно отримувати доступ до загальних баз даних. Засоби електронної пошти дають можливість користувачам комп'ютерів за допомогою телефонної мережі посилати повідомлення в інші міста і країни та отримувати інформацію з великих банків даних. Така оперативна комп'ютерний зв'язок разом з системою "Інтернет" інтенсивно розвивається і охоплює одночасно колосальне число користувачів.
Однак за обсягом накопиченої інформації та швидкості її обробки можливості персональних комп'ютерів все ж обмежені. На персональному комп'ютері можна зберігати більше десятка Гбайт інформації і отримувати до них доступ за соті частки секунди.
Найменший у світі жорсткий диск комп'ютерної пам'яті виробляє американська фірма IBM. За розмірами він приблизно збігається з вітчизняною п'ятирубльової монетою, обсяг пам'яті - 340 Мбайт. Лише кілька років тому такий обсяг вважався достатнім для пристойного персонального комп'ютера. Дані диски підходять для кишенькових комп'ютерів і цифрових фотоапаратів. На вінчестер-крихітку можна записати наскільки сотень кольорових фотографій, а потім роздрукувати на принтері або перевести в пам'ять більшого комп'ютера.
Але в багатьох галузях знань і економіки потрібно обробляти ще більші обсяги інформації і з ще більшою швидкістю. До таких галузей відносяться банківська справа, системи резервування та реалізації авіа - і залізничних квитків, служба метеопрогнозірованія і т.п. На персональному комп'ютері можна легко створити базу даних індивідуального користування з назвами і короткою характеристикою періодичних видань у будь-якої предметної області. Але для створення бази даних, в якій зберігалися б реферати статей і тим більше їх тексти і до яких одночасно могли б звертатися сотні користувачів, будуть потрібні вже великі ЕОМ.
Досить часто при обробці великих обсягів інформації найбільш доцільно одночасно, спільне використання комп'ютерів різної потужності для вирішення завдань, що відповідають їх рівню. Наприклад, у великому банку обробка інформації про клієнтів і розрахунках швидше за все потребуватиме великої ЕОМ, а введення даних та аналіз результатів можна здійснити і на персональних комп'ютерах.
При вирішенні багатьох задач розрахункового характеру виявляється недостатньою обчислювальна потужність персональних комп'ютерів. Наприклад, розрахунок механічної міцності конструкції з кількох сотень елементів можна зробити і на персональному комп'ютері, але для розрахунку міцності конструкції, що складається із сотень тисяч деталей, буде потрібно вже велика ЕОМ або навіть суперЕОМ.
Можна навести ще один наочний приклад - комп'ютерне виробництво відеофільмів. Персональний комп'ютер цілком підходить для імітації порівняно простих рухів. Для створення спеціальних відеоефектів і фільмів потрібно величезне число обчислювальних операцій, що не під силу персонального комп'ютера. Тому професійні студії, що займаються виробництвом фільмів, відеореклами тощо, користуються спеціалізованими комп'ютерами, які виконують ті операції, які найбільше підходять для імітації просторових рухів.
Як вже згадувалося вище, будь-яка ЕОМ, в тому числі і персональний комп'ютер, містить запам'ятовуючий пристрій або пам'ять. Пам'ять - це те, що наділяє ЕОМ інтелектуальними ознаками і що істотно відрізняє її від інших машин і механізмів. Параметрами пам'яті характеризуються потужність ЕОМ і її потенційні можливості.

2.1 Пам'ять людини і пам'ять ЕОМ

Пам'ять - безсумнівно, один з найважливіших атрибутів людської сутності, що роблять людину людиною. Розвинений, витончений і разом з тим витончений апарат пам'яті, мабуть, це основне, що виділяє людину серед інших представників живого світу. Не тільки запам'ятовування навколишнього (це несвідомо роблять і тварини), але і спогад, логічне осмислення, багаторазове звернення свідомості до сховища пам'яті і витяг з нього всього того, що потрібно в даний момент, - на це здатна лише людина, наділена розумом.
Процес "заповнення" пам'яті ранніми дитячими уявленнями про навколишній світ, знаннями, отриманими у школі і у вузі, тим життєвим досвідом, який втілений в образах, події, факти, характеризує в основному становлення особистості. Зміст пам'яті в значно більшою мірою, ніж зовнішність, визначає неповторну індивідуальність людського "Я".
Сукупна пам'ять усіх людей, колективна пам'ять людини, матеріалізована у численних книгах, картинах, нотах, фотографіях, кресленнях, кінофільмах, архівних документах і багато в чому-чому іншому, поза всяким сумнівом утворює один з основних наріжних каменів фундаменту людської цивілізації.
За останні десятиліття різноманітні технічні засоби накопичення і зберігання інформації поповнилися ще одним - найбільш універсальним і гнучким - пам'яттю ЕОМ, якою в усі більшому ступені відводиться постійно зростаюча роль у вдосконаленні ЕОМ, і, отже, у розвитку економіки і суспільства в цілому.
Ніколи раніше людство не накопичувало знання настільки стрімкими темпами. Подвоєння обсягу знань і збільшення потоку інформації в десятки разів очікується вже в найближчому майбутньому.
Сьогодні ЕОМ стала головним інструментом, за допомогою якого здійснюється управління інформаційними потоками. Так у загальних рисах виглядає сучасна картина. Про пам'яті ЕОМ відомо набагато більше, ніж про пам'ять людини, його свідомої і несвідомої діяльності. Напис "Пізнай самого себе", накреслена біля входу в дельфійський храм Аполлона, актуальна і донині. Пам'ять людини має індивідуальні, багатогранними, дивними і здебільшого не поясненими поки властивостями. Цицерон вважав, що "для ясності пам'яті найважливіше розпорядок; тому тим, хто розвиває свої здібності в цьому напрямку, слід тримати в голові картину яких-небудь місць та за ці місцях розташовувати уявні образи запам'ятовуються предметів". Приблизно за таким принципом побудована й оперативна пам'ять ЕОМ. З наведених образних порівнянь зрозуміло, що пам'ять ЕОМ за багатьма параметрами відстає від мозку людини. І ми неодмінно "повинні вчитися у природи і слідувати її законам", як стверджував М. Бор.
І творча, і підсвідома діяльність, та інші її види часто об'єднуються одним словом "почуття", стосовно пам'яті ЕОМ можна віднести до штучного інтелекту, що знаходиться в даний час на початковій стадії розвитку.
Висока щільність запису, велика ємність пам'яті, високу швидкодію, здатність сприйняття і аналогової, і цифрової інформації, можливість оперативного доступу до даних, поєднання адресного та асоціативного пошуку, об'єднання послідовного та паралельного принципів введення-виведення інформації, відсутність механічно переміщаються вузлів, висока довговічність і надійність зберігання - ось ті основні якості, якими хотілося б наділити розробляються довгострокові запам'ятовуючі пристрої.

2.2 Технологічні можливості реалізації високої інформаційної щільності

Більшість моделей ЕОМ, від міні-ЕОМ до складних обчислювальних комплексів і систем, містять зовнішні запам'ятовуючі пристрої, які базуються в основному на магнітного запису. Прогнози фахівців показують, що на найближчу історичну перспективу пристрої магнітного запису залишаться домінуючими на світовому ринку інформаційної техніки.
Собівартість зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв у порівнянні з собівартістю інших пристроїв сучасних ЕОМ, відносно велика. Тому їх вдосконалення направлено, з одного боку, на зниження собівартості, а з іншого - на підвищення якості запису і відтворення інформації.
З розвитком засобів обчислювальної техніки зростає і буде зростати попит на запам'ятовуючі пристрої невеликих розмірів, здатні зберігати великий обсяг інформації. У зв'язку з цим проблема підвищення інформаційної щільності запису - одна з найважливіших у сучасних запам'ятовуючих пристроях великої ємності.
У запам'ятовуючих пристроях на рухомому магнітному носії, де основне - це накопичення інформації, чинником першорядної важливості є поверхнева інформаційна щільність запису, яка визначається кількістю інформації, що припадає на одиницю площі поверхні робочого шару носія. Поверхнева інформаційна щільність запису залежить від щільності запису уздовж однієї доріжки (подовжньої щільності) і числа самих доріжок на одиницю довжини в поперечному щодо руху носія напрямку (поперечної щільності). Теоретично доведено, що поздовжня щільність запису інформації на магнітному носії може бути рівної приблизно 20000 біт / мм.
Якщо в даний час в кращих накопичувачах на магнітних дисках реалізована поздовжня щільність близько 5000 біт / мм, то стає зрозумілим, які можливості ще не реалізовані.
Магнітний запис з перпендикулярним намагнічуванням, коли перемагнічування робочого шару здійснюється в його перпендикулярній площині, забезпечує суттєве підвищення інформаційної щільності запису. Так, в лабораторних зразках накопичувачів вже досягнута поздовжня щільність, складова більше 10 000 біт / мм.
Оцінимо щільність запису, яку можна реалізувати, використовуючи елементну базу, необхідну для магнітного запису. Сучасної технології цілком під силу виготовлення магнітних елементів шириною близько 1 мкм. Товщина такого працездатного елемента може бути набагато менше 0,1 мкм (відомі магнітні перетворювачі з магнітним елементом товщиною менше 0,1 мкм, що дозволяють отримати поздовжню щільність запису більше 10000 біт / мм). Отже, площа поперечного перерізу магнітного елемента, який може бути робочим елементом основного полюса магнітної головки для запису становить 0,1 мкм ^2. Мінімальний діаметр світлової плями в оптичних запам'ятовуючих пристроях дорівнює приблизно 1 мкм, що відповідає площі, приблизно рівною 1 мкм ^2. Тепер стає зрозумілим, що реальна елементна база при магнітного запису дозволяє реалізувати інформаційну щільність на порядок вище гранично можливої ​​щільності в оптичних накопичувачах.
Сучасна технологія дозволяє виготовляти тонкоплівковий елемент, ширина або довжина якого складає приблизно 1 мкм, що більш ніж на порядок менше розміру елемента серійно виготовляються магніторезистивні перетворювачів. Суттєве зменшення товщини магніторезистивного елемента навіть з використанням самих перспективних технологічних прийомів пов'язане з порушенням однорідності по товщині, що тягне за собою зміну у електричних, і магнітних властивостей. Технологія сьогоднішнього дня дозволяє виготовляти магніторезистивний елемент, мінімальне поперечний переріз якого становить 0,030 мкм ^2, що в принципі дає можливість відтворити інформацію, записану з поверхневою щільністю близько 33 біт / мкм ^2. Така щільність приблизно на порядок менше відповідної граничної щільності, до якої допускає наблизитися реальний магнітний носій - з кобальт-хромовим робочим шаром (нагадаємо: вона становить 400 біт / мкм ^2). Якщо взяти до уваги технологічні можливості найближчого майбутнього, коли лінійний розмір елемента зменшиться приблизно на порядок, то магніторезистивний перетворювач з таким елементом дозволить відтворити інформацію, записану з поверхневою щільністю, що наближається до 400 біт / мкм ^2.
Це означає, що в доступному для огляду майбутньому магніторезистивний перетворювач, спираючись на перспективну технологію, повинен наздогнати магнітний носій, і тоді їх граничні характеристики щільності зрівняються. При цьому слід пам'ятати, що граничні можливості і реальні пристрої - це не одне і те ж. У той же час без реальних можливостей не буває і реальних пристроїв. Інша справа, що між ними, як правило, лежить вторований шлях, який при недостатньо об'єктивної оцінки яких би то не було можливостей може виявитися безвихідним. У даному випадку правильний шлях може вибрати практик-розробник, кожна дія якого обгрунтовано науковим розумінням розв'язуваної їм проблеми,

2.3 Проблеми відтворення живого образу

Торкнемося також важливій галузі застосування магнітного запису в різних апаратах запису і відтворення звуку і зображення. З відносно недавнього часу все частіше можна зустріти і в науково-технічній, і в популярній літературі терміни: "цифрова звукозапис", "цифровий магнітофон" і т.п. Мимоволі може виникнути питання: яке відношення до звукозапису або відеозображенням має "цифра"? Виявляється, має, причому безпосередню і пряме. І цифровий спосіб запису ріднить, здавалося б, далекі одна від одної за призначенням області магнітної відео - і звукозапису з магнітним записом, що лежить в основі зберігання величезного обсягу інформації в сучасних ЕОМ. Висока якість запису та відтворення звуку - досить складна і важка технічна задача, навіть якщо врахувати відносно високий рівень розвитку сучасних технічних засобів. А тепер можна собі уявити, наскільки складна задача вирішується при записі звуку і зображення і наступного їх відтворення, що здійснюється за допомогою відеокамер і відеомагнітофонів. Магнітна стрічка в цьому випадку повинна запам'ятати не тільки особливості звуку, але й більш складні особливості світла, його колірної гами, яскравості, контрастності і т.п., щоб видиме на екрані зображення наблизити до реального воспроизводимому об'єкту, тобто зробити його природним, натуральним.
Наблизитися до живого образу допомагає магніторезистивної відтворення. Сутність магніторезистивного відтворення проста. Змінюється магнітне поле розсіяння викликає зміну електричного опору поміщеного в нього магніторезистивного елемента, що знімається напруга з якого відповідає сигналу відтворення.
Магніторезистивної відтворення використовується не тільки в запам'ятовуючих пристроях з рухомим носієм. Застосування його набагато ширше. На магніторезистивної принципі може бути засноване відтворення інформації в запам'ятовуючих пристроях великої місткості, що дозволяють реалізовувати логічні функції і довго зберігати інформацію без руйнування. Магніторезистивні елементи можуть бути використані в багатьох високочутливих пристроях і приладах.
Переваги магніторезистивного відтворення виявляються повною мірою в цифрових системах запису і відтворення. В даний час багато фірм вже пропонують споживачеві високоякісні цифрові магнітофони.
Сьогоднішній масовий споживач оцінює якість сучасної побутової радіоапаратури не за рекламними повідомленнями або популярним статтями, а по чіткості телевізійного зображення, соковитості фарб, природності звучання і т.п., т е. по тому, наскільки близько відповідає відтворювана картина реального живого образу.
Що ж дає звернення до цифри? Цифровий сигнал, так само як і аналоговий, схильний до спотворень - і частотним, і нелінійним, і шумовим нашарування. Але для цифрового сигналу вони не страшні, спотворити цифровий сигнал - це значить зовсім прибрати будь-якої імпульс або ввести імпульс там, де була пауза. Такі спотворення можна запобігти, а більш дрібні, що змінюють форму імпульсу або порушують чистоту паузи, важко усунути. Для цього використовується електронний блок - регенератор цифрового сигналу. З нього виходять неспотворені, відреставровані послідовності імпульсів - пауз, з яких після цифро-аналогового перетворення народжується практично неспотворений аналоговий сигнал, а значить, в кінцевому результаті і неспотворений звук. Досить сказати, що в системах цифрового звукозапису рівень шумів незначний, тобто вони набагато слабше основного сигналу і практично не чутно.
Таким чином, цифрова звукозапис та узгоджується з нею магніторезистивної відтворення - реальні кошти наближення до відтворення тембрового багатства і солов'їної співу, і великого оркестру, а також яскравих фарб на весняному лузі тобто реальні кошти для послідовного, поступального наближення до відтворення живого образу того чи іншого об'єкту.

2.4 Голографічна пам'ять

Дуже важливим є швидкодія пам'яті, обумовлене інерційністю процесів запису, пошуку, зчитування та у разі реверсивного носія - стирання. Запис і зчитування описуються швидкістю обміну інформацією, пошук і стирання - тривалості цих процесів.
Різке збільшення ємності пам'яті вимагає і обов'язкового зростання швидкості обміну інформацією. Інакше "електронний архів" перетвориться на "електронну смітник". А підвищення швидкодії фактично неможливо домогтися, лише вдосконалюючи, покращуючи дискові накопичувачі, - необхідний якийсь інший принцип введення (записи) і виводу (зчитування) інформації.
Необхідна інша ідейна концепція. Виявляється, така концепція існує, вона давно відома, інтенсивно розробляється і вже привела до багатьох досягнень в ряді областей техніки. Мова йде про голографічному, що запам'ятовує.
Голографічне запам'ятовуючий пристрій дозволяє практично реалізувати всі ті особливості, які притаманні людському мозку, а також доповнити їх можливостями цифрових ЕОМ. А чисто технічні потенції цих пристроїв, зрозуміло, незмірно багатше, ніж можливості мозку.
Однак минуло кілька десятиліть з початку розробки голографічної пам'яті, а реальних конкурентоспроможних пристроїв, які можна було б віднести до промислових, а не до лабораторних, до цих пір немає. У чому ж справа? Все той же відомий дисонанс ідейних концепцій і "елементної бази". Ми ставимо тут лапки, тому що в наш "технологічне століття" саме те, що іноді зарозуміло, по-старому, називають "елементної базою", становить фізико-технічну основу, вірніше, сутність нових напрямків. Транзистор, інтегральна схема, мікропроцесор - ці "елементи", кожен у свій час, визначали "обличчя" обчислювальної техніки і не тільки параметри конкретних ЕОМ, але і всю ідеологію цього науково-технічного спрямування. З'явився лазер - і виникли квантова радіофізика, топографія, нелінійна оптика. Хоча, строго кажучи, ідейні основи цих напрямків були відомі набагато раніше. Але тільки лазер дав кожному з них життя.
Елементна база оптичних дискових накопичувачів склалася до кінця 70-х років, і звичайно ж, не випадково саме на початку 80-х почався "бум" у розвитку і цього напряму.
З голографічними запам'ятовуючими пристроями ситуація, на жаль, інша. Використовувані в лабораторних розробках елементи - газові лазери, різноманітні оптичні затвори, дефлектори, транспаранти - ще дуже недосконалі. Як правило, вони громіздкі, недовговічні, складні у виготовленні й експлуатації, мають недостатньо високими значеннями визначальних параметрів. В елементах використовуються різнорідні матеріали, вони не завжди добре узгоджуються один з одним. Реверсивні голографічні середовища, структури для багатошарової об'ємної запису взагалі ще дуже далекі від практичного застосування. Доводиться констатувати, що "елементна база" голографічної пам'яті - якщо оцінювати її з позицій промислового виробництва - ще не створена.
Правда, в останнє десятиліття в розвитку ряду напрямів оптоелектроніки досягнуті значні успіхи, які побічно, а іноді і прямо сприяють вирішенню розглянутої проблеми. Створено напівпровідникові лазери з високим ступенем когерентності випромінювання, що дозволяють записувати якісні голограми. Розвивається інтегральна оптика, в рамках якої традиційні об'ємні оптичні елементи заміняють тонкоплівковими. Тонкоплівкові оптичні затвори можуть перемикатися напругою всього в декілька вольт, при цьому час перемикання може бути менше 1 нс. Безперервно покращуються характеристики плівкових акусто-оптичних дефлекторів, помітні зрушення і у вдосконаленні оптичних транспарантів. Все це вселяє оптимізм.
Оптична пам'ять з її величезною щільністю запису, надвисокими швидкостями обміну інформацією, здатністю оперувати і з цифрами і з образами, з його надійністю, довговічністю, мізерно малої "вартістю зберігається біта" заслуговує, щоб на її становлення і розвиток людство не пошкодувала сил.

2.5 Нейронні мережі

У 80-90-ті роки прогрес у розвитку обчислювальної техніки багато хто пов'язує з створенням штучних нейронних мереж. Успіхи в розробці та використанні нейрокомп'ютерів визначаються їх принципово новою властивістю - можливістю ефективного самонавчання в ході вирішення найбільш складних завдань.
За своєю суттю нейрокомп'ютер є імітацією людської нейронної мережі. Тому варто зробити ряд зауважень про пристрій головного мозку. Основна елементарна комірка мозку - нейрон - має об'єм всього лише 10 ^-3 мм і масу 10 ^-6 м. Нервова тканина, що покриває півкулі головного мозку шаром завтовшки в декілька міліметрів, пофарбована у два кольори. Сірі нейрони оточені білими відростками - аксонами і дендритами, які проводять нервові імпульси до інших клітин. Нейрон взаємодіє з нейроном, посилаючи йому електричний сигнал - нервовий імпульс. Крім електричної, нейрон має ще й хімічної активністю. При цьому для далекого зв'язку служить довгий відросток нейрона - аксон, який здатний підсилювати сигнал і передавати його без загасання зі швидкістю до 100 м / с і вище. Дендрити служать в основному для прийому сигналів, хоча можуть з загасанням передавати сигнал до мішені на невеликі відстані.
Використовуючи термінологію обчислювальної техніки, можна сказати, що нейрон є бінарною осередком. Він може перебувати або в збудженому, або в збудженому стані. Найбільший інтерес становить те, як йому вдається змінювати свій стан в результаті взаємодії з іншими нейронами і клітинами. Сам по собі нейрон не генерує ніякого вихідного сигналу, поки сумарний вхідний сигнал не перевищує певної порогової величини. Якщо ж поріг перевищено, то нейрон починає посилати сигнали інших нейронів. У нейронної мережі корисна інформація запам'ятовується не окремими нейронами, а групами нейронів, їх взаємним станом. Можна вважати, що кожен нейрон в більшій чи меншій мірі пов'язаний приблизно з ¹⁰ квітня нейронами. Приймаючи зовнішню інформацію і обмінюючись усередині головного мозку, кожен окремий нейрон має можливість послідовно наближатиметься до прийняття в складній зовнішній обстановці правильного рішення і переходу в потрібний момент в потрібне (порушену або збудженому) стан. При цьому людський мозок в цілому також має можливість послідовно приймати правильні рішення.
Чим більше обсяг нейронної мережі, тим більше складне завдання можна вирішити за її допомогою. Наприклад, при машинному читанні текстів для розпізнавання трьох букв використовувалася мережа з 32 нейронів. Розпізнавання алфавіту, що включає 26 букв, вимагає 260 нейронів.
Вчені навчилися моделювати нейронні мережі, використовуючи метод послідовних наближень. Проте в цифровій обчислювальній техніці дуже складно вирішується проблема з'єднань між великою кількістю осередків. А для ¹⁰ Квітня осередків, як нескладно вирахувати, необхідно порядку 10 ⁸ межсоединений. Як вважають багато фахівців, на досить високих частотах вже така кількість межз'єднань принципово не можна здійснити навіть у перспективних технологіях виготовлення інтегральних мікросхем.
Інша справа в оптичній обробці інформації, де необхідно лише сформувати необхідний масив комірок, а межсоединения здійснюються самі собою і практично без спотворень в оптичному тракті системи. Магнитооптические керовані пристрої вже сьогодні дозволяють сформувати високоякісний масив бінарної інформації з ¹⁰ квітня осередків, причому швидкість обробки його за алгоритмом нейронної мережі на кілька порядків перевершує можливості людського мозку.

3. Мультимедійні системи і віртуальний світ

У 90-і роки на базі персональних комп'ютерів створені мультимедійні системи з усе зростаючим впливом їх на різні сфери діяльності. Спробуємо розглянути їх з точки зору діалектичної єдності і боротьби протилежностей. Але перш за все про сам предмет розгляду і про те, як його представляють популярні періодичні видання, найчастіше в рекламних цілях.
Мультимедіа - це об'єднання декількох каналів передачі інформації від машини до людини: звук, зображення, рідше - рух реальних предметів. Мається на увазі і зворотний зв'язок - дії людини повинні безпосередньо і суттєво впливати на хід подій у системі. Розробники сучасних мультимедійних систем прагнуть до можливо більш точному моделювання реальності, створення віртуального світу, в якому людина могла б робити те, що недоступно йому в реальності, і в якому він займав б провідне місце. Для цього додаються всілякі зусилля. Так, створено спеціальний шолом, що дозволяє отримати одразу кілька переваг: покращена сприйняття стереофонічного (об'ємного) звучання, можливість створення стереоскопічного зображення. Спеціальні датчики стежать за поворотами голови людини, і на міні-дисплеях змінюється відеоінформація перед його очима по тій картині, яку він повинен побачити, повернувшись.
Наведемо дослівне опис однієї з численних мультимедійних ігор, наприклад "стріляє корабель - 2000". "Основа гри цілком традиційна: вам пропонується на бойовому вертольоті виконати одне із завдань командування (американського, зрозуміло). Ви літаєте або над Європою, або у небі Перської затоки і рушіте радари, мости й танкові колони. У бою будьте акуратні, але безжальні. Тільки в цьому випадку у вас з'являється шанс повернутися на базу з перемогою. Ну а якщо не складеться - не біда ". Затяті прихильники мультимедійних ігор, відповідаючи на питання "чому ми граємо?", Підкреслюють, що сперечатися з неіграющіе про принади гри - все одно, що розповідати дальтоніки про геніальність Гогена.
Що ж змушує людей просиджувати перед моніторами годинами? Відповідь проста - здатність створювати альтернативну реальність з іншими образами і атрибутами речей, можливість занурити своє "я" у тканину іншого світу, міфу; гра, як правило, гуманна, перемога добра і зла лежить на шальках терезів, і у вашій волі, куди їх схилити. У той же час поряд з викладеним вище захопленим описом мультимедійних можливостей з'являються, хоч і рідко, такі, які нагадують про зворотній бік медалі, ось одне з них: "захоплення іграми - причина серйозних розладів у родині". Деякі захоплені мультимедійними іграми стверджують, що тривимірна графіка, об'ємне звучання настільки захоплюють гравця, що перший час неймовірною здається вже навколишнє повсякденна обстановка.
А тепер спробуємо розібратися в діалектиці двоєдиного початку мультимедійної системи. Але спочатку пригадаємо, ніж люди займалися довгі тисячоліття по вигнанні їх за гріхи з раю.
Вони з ретельністю створювали собі другу штучну фізичну природу, щоб захистити себе від холоду і спеки за допомогою одягу і жител (своєрідних штучних пристосувань). Вони винаходили засоби пересування на різній тязі, щоб переміщатися по землі, у воді і в повітрі, і створювали різноманітне технологічне устаткування для виконання простих і складних операцій. У результаті всього цього навколо людини стала формуватися штучна оболонка, відгороджуються його від реальної фізичної природи і від її дестабілізуючих факторів, тобто від усього того, що раніше було прийнято вважати місцем існування.
Навколишнє середовище трансформувалася, з'явилися ознаки незворотних процесів. Люди почали нехтувати реальної середовищем проживання, активно втручаючись у неї і засмічуючи її побутовими та промисловими відходами. Плата за все це - глобальні екологічні катаклізми, що зажадали регіональних і глобальних заходів екологічного захисту і не менш глобальних економічних і соціальних заходів, пов'язаних з життєвим забезпеченням творців штучної фізичної природи.
Створення штучної інформаційної природи - мультимедійного середовища з її альтернативною реальністю - віртуальним світом - має в певному сенсі ті ж характерні ознаки. Вихідна задача створення штучної інформаційної природи полягала насамперед у керуванні машинами. Як приклад можна навести перший автоматичний регулятор парової машини Уатта. Ускладнювалася конструкція машин, і разом з цим ставали все складніше пристрою управління, багато з яких по "інтелектуальним" можливостям перевершують навіть самого підготовленого фахівця. Професіонали створюють пристрої управління мікрокліматом житла, різними засобами транспорту і технологічними комплексами. Програмування роботи пристроїв штучної інформаційної природи вимагає знання не тільки можливостей технічних засобів управління, їх структури та специфіки, а й властивостей рецепторного і рефлекторного апаратів людини, а також законів психології сприйняття візуальних, акустичних і тактичних образів.
Програми функціонування таких пристроїв досить складні і доступні лише вузькому колу фахівців. І поза всяким сумнівом розвиток робіт в даному напрямку цілком органічно вписується в більш загальну проблему вдосконалення мультимедійних систем - саме в цьому проявляється їхня незаперечна позитивна якість.
Стрімке зростання інформаційного потоку активізує захисну реакцію людини, і несвідомо починає з'являтися бажання відгородитися від зовнішнього інформаційного впливу: люди нашого покоління, як ніколи раніше, відчули втому від різного роду політичної інформації і насамперед від явних ідеологічних спекуляцій. У цьому полягає одна з причин надзвичайно великої популярності сучасною аудіо - та відеотехніки, що дозволяє певною мірою відгородитися від зовнішнього інформаційного потоку. Але при цьому не потрібно забувати, що індивідуальні пристрої пам'яті будь-яких улюблених відео - і аудіосюжету вибираються із загального ідеологічного "корита", заповнюється яке найчастіше зарубіжними "доброзичливцями", переслідують цілком певні політичні цілі.
У чому суть всіх сучасних відеоігор - від найпростіших до самих привабливі і складних? Відповідь на це питання лежить на поверхні. Вона полягає у створенні для грає штучного інформаційного простору - від нескладних операцій укладання кубиків або збору яєць у кошик до майже натуральних вильотів на бойових машинах, коли пробуджується притаманне кожній людині природне бажання обігнати, вразити, перемогти і т.п. Гра, як правило, починається в повільному темпі, потім переходить у прискорюваний режим, який врешті-решт доходить до такого вільно обраного темпу, коли людина повністю відключається від зовнішніх інформаційних потоків. Монотонні руху і ритми присипляють людини, дозволяють легко впливати на нього, гіпнотизувати його, паралізувати його волю й приховано втовкмачувати в його свідомість будь-яку (в тому числі шкідливу і небезпечну!) Інформацію.
Відгороджуючись таким чином від реальних інформаційних потоків життя людей з її реальними голодом, холодом, хворобами, війнами, стражданнями і т.п. і опинившись у віртуальному просторі, де натисканням кнопки можна підірвати інопланетний космічний корабель, спалити місто, наслати повальні хвороби, насолодитися інтимом з "коханою людиною", нарешті, бути "вбитому" самому гравцеві в цих віртуальних відео-аудіотактіческіх світах, людина втрачає відчуття реальності життя. Він починає нехтувати реальними інформаційними потоками спільнот людей (від осередку суспільства - сім'ї - до більш великих утворень), жити у вигаданому світі, де йому добре і зручно тільки одному. Така людина навряд чи зможе захоплюватися раннім сходом сонця з його золотистими, ковзаючими по землі променями. Для нього виявляться непотрібними ні класична музика, ні класичні твори мистецтва і літератури, на яких виховувалися багато поколінь людей, наділених високими моральними якостями.
У тій чи іншій мірі всім зрозуміла небезпека і страшна згубна сила ядерної, хімічної і бактеріологічної зброї, що вражає тіло, але залишається поки непоміченою інша зброя також масового ураження, яка вражає душу людини, роблячи його самотнім і беззахисним в придуманому їм віртуальному світі. В цьому одна з сильних проявів негативного початку мультимедійних систем. Чи означає це, що слід обмежувати нові можливості мультимедійних систем? Звичайно, немає. Відомо, що ніж у руках хірурга - добро, а в руках бандита - зло. Корисно пам'ятати, що мультимедійні системи тільки при розумному їх використанні можуть неодмінно сприятиме розвитку особистості і суспільства. Слід очікувати, що найбільш ймовірне використання мультимедійних систем буде не ігровим, а науковим і навчальним, сприяє спрощенню і полегшення складного процесу пізнання дійсності.
Представлені вище міркування - одна з можливих інтерпретацій діалектичного дуалізму мультимедійних систем. Не можна виключати, що деякі з розглянутих тверджень носять дискусійний характер. Але в дискусії народжується істина.

4. Мікро-і наноелектронних технології

Характерна особливість сучасного природознавства - народження нових, швидко розвиваються наук на базі фундаментальних знань. До однієї з таких наук відноситься сформувалася в надрах фізики мікроелектроніка, що переростає в останнім часом в наноелектроніку.
У мікроелектроніки та наноелектроніки один загальний корінь - електроніка. У відповідності із суворим визначенням електроніка - наука про взаємодію електронів з електромагнітними полями і про методи створення електронних приладів і пристроїв (вакуумних, газорозрядних, напівпровідникових), використовуваних для передачі, обробки та зберігання інформації. Виникла вона на початку XX ст. На її основі було створено електровакуумні прилади, в тому числі і електронні лампи (діод, тріод, тетрод, пентод і т.д.).
З початку 50-х років інтенсивно розвивається твердотільна електроніка, перш за все напівпровідникова. На початку 60-х років виникла мікроелектроніка - найбільш перспективний напрямок електроніки, пов'язане зі створенням приладів і пристроїв у мікромініатюрних виконанні і з використанням групової (інтегральної) технології їх виготовлення. Виникнення мікроелектроніки викликано безперервним ускладненням функцій і розширенням сфер застосування електронної апаратури, що вимагало зменшення її габаритів і маси, підвищення швидкодії і надійності.
Основу електронної бази мікроелектроніки складають інтегральні схеми, що виконують задані функції блоків і вузлів електронної апаратури, в яких об'єднано велике число мікромініатюрних елементів та електричних з'єднань, що виготовляються в єдиному технологічному процесі. Мікроелектроніка розвивається в напрямку зменшення розмірів містяться в інтегральній схемі елементів (до 0,1-1,0 мкм), підвищення ступеня інтеграції (до 10 ⁶ -10 ⁷ елементів на кристал), щільності упаковки (до 10 ⁵ елементів в 1 мм ³⁾ , а також використання різних за принципом дії приладів (опто-, акусто-, кріоелектронних, магніторезистивні та ін.) Останнім часом ведуться інтенсивні роботи зі створення інтегральних схем, розміри елементів яких визначаються нанометрами (10 ^-9 м), тобто поступово набирає силу наноелектроніка - найбільш важливий напрямок мікроелектроніки, що характеризує сучасний етап розвитку природознавства.
Різноманітні мікроелектронні прилади та пристрої в різних формах виконання знайшли широке застосування практично у всіх технічних засобах, пов'язаних з багатьма сферами діяльності людини. Досягнення в мікроелектоніке сприяли створенню космічних кораблів і керованих ядерних реакторів. Сучасна аудіо - і відеоапаратура з досить високою якістю звучання і зображення - це теж продукт мікроелектроніки. На промисловому мікроелектроніці базується автоматизоване виробництво виробів, вузлів, механізмів і машин для різних галузей економіки. Елементна база численних і різноманітних ЕОМ, які включають і персональні комп'ютери, - це теж мікроелектроніка.
Навряд чи можна назвати таку людину, який не був би прямо чи опосередковано пов'язаний з мікроелектронної апаратурою, перш за все як користувач. Цілком очевидно, що від ступеня впровадження мікроелектронних засобів залежить не тільки рівень досконалості того чи іншого технічного пристрою, але і прогрес, а також темпи розвитку тієї чи іншої галузі сучасної економіки. На перший погляд може здатися зайвим знання концепцій розвитку мікроелектроніки, особливо для фахівців нетехнічних напрямів і, зокрема, для майбутніх економістів. Однак справжня економіка перш за все пов'язана з життям і в першу чергу з потребами людини. Вивчення потреб людини без знань можливостей виробляти матеріальні цінності хоча і необхідно, але вкрай недостатньо для формування фахівця високої кваліфікації з широким кругозором. Не викликає сумніву, що таким фахівцем поряд з іншими має бути економіст. Саме економіст, як правило, виробляє перший експертну оцінку нового технічної пропозиції. І від його оцінки залежить багато в чому подальша доля технічної пропозиції. А так як практично всі сучасні технічні підприємства в тій чи іншій мірі пов'язані або з мікро електронною продукцією, або з її безпосереднім виробництвом, то знання основних проблем, тенденцій розвитку та потенційних можливостей мікроелектроніки не менш важливо, ніж уявлення про продуктивних силах та виробничих відносинах. На базі саме таких всебічних знань може бути прийнято найбільш вдале рішення, що сприяє розвитку будь-то виробництва або галузі в цілому. Крім того, також важливо знати, і перш за все економісту, якою ціною буде вирішена поставлена ​​конкретна задача. Але для цього корисно уявляти, якою ціною далися відомі досягнення, суттєво змінили сутність продуктивних сил і характер виробничих відносин.

4.1 Розвиток твердотільної електроніки

Епоха розвитку твердотільної електроніки має більш ніж столітню історію, вона почалася з виниклих і довго необ'ясняемих фізичних загадок, так званих "поганих" провідників. Ще в XIX ст. видатний фізик М. Фарадей зіткнувся з першою загадкою - з підвищенням температури електропровідність досліджуваного зразка зростала за експоненціальним законом. На той час було відомо, що електричний опір багатьох провідників лінійно збільшується із зростанням температури. Через деякий час французький фізик А.С. Беккерель (1788-1878) виявив, що при висвітленні "поганого" провідника світлом виникає електрорушійна сила - фото ЕРС - друга загадка.
Було виявлено, крім того, зміна опору селенових стрижнів під дією світла, що певною мірою підтвердило сутність другий загадки, пов'язаної з фотоелектричними властивостями "поганих" провідників. У 1906 р. німецький фізик К.Ф. Браун (1850-1918) зробив важливе відкриття: змінний струм, проходячи через контакт свинцю і піриту, не підкоряється закону Ома, більше того, властивості контакту визначаються величиною і знаком прикладеної напруги. Це була третя фізична загадка.
Приблизно за 40 років фізичних досліджень складу "поганих" провідників суттєво розширився. До них були віднесені сульфіди й оксиди металів, кремній, закис міді і т.п. Цей клас речовин стали називати напівпровідниками. Ефекти випрямлення електричного струму, фотопровідність напівпровідників стали застосовувати для практичних цілей. Були створені фотоелемент і твердотільний випрямляч електричного струму.
У 1879 р. американський фізик Е. Холл (1855-1938) відкрив явище виникнення електричного поля в провіднику (тонкій пластині золота) з струмом, вміщеному в магнітне поле, спрямоване перпендикулярно струму. Електричне поле виникало і в напівпровідниках: в одних напівпровідниках електричне поле спрямоване в один бік, а в інших - в протилежну. Передбачалося, що направлення даного поля визначають електрони і якісь, у той час невідомі, позитивно заряджені частинки. Відкриття Е. Холла - четверта загадка "поганих" провідників.
Створена Дж. Максвеллом теорія електромагнітного поля не пояснювала ні одну з чотирьох загадок. Поки фізики-теоретики шукали відгадки, інженери все ширше застосовували напівпровідники. На початку нинішнього століття вчені захопилися дослідженням бездротового зв'язку. Були створені перші приймачі радіохвиль, здатні детектувати сигнали. У них використовувалися контакти з напівпровідникових матеріалів та металу. Кристалічні напівпровідникові детектори дозволяли випрямляти радіочастотні сигнали, але підсилювати їх не могли.
Вивчаючи властивості кристалічного детектора, наш співвітчизник, видатний радіоінженер О. Лосєв (1903-1942) виявив на вольт-амперної характеристики кристала ділянка з негативним диференціальним опором, на основі чого створив в 1922 р. генерує детектор. Це був перший детектор, здатний посилювати і генерувати електромагнітні коливання. Основою його служила контактна пара: металеве вістрі - напівпровідник (кристал цинкита). Однак хоча відкриття О. Лосєва і викликало великий інтерес у ті роки, воно не знайшло промислового внедренія.30-40-ті роки - час розквіту електровакуумних ламп, які широко застосовувалися в різних пристроях радіозв'язку. Ненадійні в ті роки напівпровідникові прилади не могли конкурувати з електронними лампами. У напівпровідниковій електроніці чотири загадки залишалися нерозгаданими майже 100 років.
Тим не менш дослідження властивостей напівпровідників тривало. Траплялися пошуки природних і синтезованих напівпровідників - інтерметалічних сполук з напівпровідниковими властивостями. Дослідницькі роботи суттєво активізувалися після створення зонної теорії напівпровідників, відповідно до якої в твердому тілі енергетичний стан електронів утворюють так звані зони, розділені проміжками заборонених значень енергій. У верхній зоні перебувають вільні заряди; вона названа зоною провідності. Нижня зона, в якій заряди пов'язані, отримала назву валентної зони. Між ними розташована заборонена зона. Якщо її ширина велика, то в твердому тілі електропровідність відсутній і воно відноситься до діелектрика. Якщо ж ширина забороненої зони невелика, то електрони можуть збуджуватися різними способами і переходити з валентної зони в більш високоенергетичної. Наприклад, при розігріві твердого тіла відбувається теплове збудження електронів, підвищується їх енергія і вони переходять в зону провідності, при цьому підвищується електропровідність твердого тіла, а виходить, зменшується його опір. Зі зростанням температури число збуджених електронів збільшується, отже опір напівпровідника падає. Можливий і інший механізм збудження електронів і переведення їх з валентної зони в зону провідності, при якому вони стають вільними під дією світла. Таким чином, зонна теорія пояснила дві перші загадки: чому опір напівпровідників падає при нагріванні і освітленні.
У результаті аналізу електропровідності напівпровідників був зроблений висновок: на звільнених від електронів місцях у процесі їх переходу в зону провідності утворюються вакансії або дірки, які еквівалентні носіям позитивного заряду, що володіє рухливістю, ефективною масою і здатністю давати вклад у електричний струм з напрямом, протилежним току електронів . З'ясувалося, що існують напівпровідники з електронним типом провідності (п-тип), для яких ефект Холла негативний, і напівпровідники з позитивним ефектом Холла, що мають дірковий тип провідності (р-тип). Перші названі донорними, другі - акцепторними.
В кінці 30-х років троє вчених-фізиків - радянський А. Давидов, англійська Н. Мотт і німецький В. Шотткі - незалежно один від одного запропонували теорію контактних явищ, відповідно до якої в напівпровідниках на кордоні діркового та електронного типів напівпровідників відбувається збіднення носіями зарядів і виникає ефективний електронно-дірковий бар'єр, що перешкоджає вільному пересуванню електронів і дірок. Через таку межу струм проходить тільки в одному напрямку, а її електричний опір залежить від величини та напрямку прикладеної напруги. Якщо електричне поле докладено в прямому напрямку, висота бар'єру зменшується, і навпаки; при цьому неосновні носії струму (дірки в електронному напівпровіднику і електрони в діркової) відіграють визначальну роль.
У результаті численних експериментів вдалося виготовити зразок, що включає кордон переходу між двома типами провідності. Так вперше було створено р-n-перехід, який став найважливішим елементом сучасної напівпровідникової електроніки, і до сорокових років вдалося розгадати всі чотири загадки "поганих" провідників.
Першим твердотілим приладом для посилення електричного струму, здатним працювати в пристроях замість незамінною в ті часи лампи, став точковий транзистор, в якому два точкових контакту розташовані в безпосередній близькості один від одного на верхній поверхні невеликою платівки кремнію n-типу. Демонстрація першого транзистора відбулася в 1948 р. Він дозволяв посилювати сигнал аж до верхньої межі звукових частот більш ніж у сто разів. У 1956 р. за розробку транзисторів американські фізики Д. Бардін (1908-1991), У. Браттейн (1902-1987) і У. Шоклі (1910-1989) отримали Нобелівську премію.

4.2 Витоки сучасної мікроелектронної технології

На прикладі удосконалювання різних напівпровідникових приладів можна простежити розвиток мікроелектронної технології, що дозволило створити не тільки чудові за якістю і надійності транзистори, а й інтегральні схеми, а потім і великі інтегральні схеми, на базі яких проводиться різноманітна електронна техніка, включаючи сучасну аудіо - і відеоапаратуру, швидкодіючі ЕОМ і т.п.
Технологічні розробки завжди важливі, але на етапі промислового освоєння роль їх істотно зростає. Початком промислового виробництва напівпровідникових приладів можна вважати середину 50-х років, коли був запропонований технологічний прийом зонної очищення, який дозволив отримати рівномірний розподіл домішок в кристалі. До 1955 р. була налагоджена технологія виготовлення транзисторів зі сплавним і р-n-переходами. Потім з'явилися різновиди сплавних транзисторів: дрейфові та сплавні з дифузією.
Розроблений електрохімічний метод отримання базових шарів дозволив створювати нові види дискретних транзисторів: мікросплавние, поверхнево-бар'єрні, сплавні-дифузійні, мікрослойние. Частотний діапазон їхньої роботи досяг декількох мегагерц. Почалося виробництво автоматизованого обладнання для виробництва транзисторів.
Для отримання р-n-переходів стали використовувати дифузійний метод, який забезпечував рівномірний розподіл домішкових атомів в кристалі при нагріванні його в атмосфері, що містить необхідні домішки. Цей метод поклав початок групової технології виробництва приладів.
В кінці 50-х років була розроблена технологія створення планарних транзисторів, конструкція яких має плоску структуру. Особливість цієї технології - можливість створення безлічі приладів на одній підкладці. Така технологія відкрила шлях до групової технології виробництва транзисторів і його автоматизації.
В історії розробки транзисторів відомі приклади нових технічних рішень, які відкривали нові напрямки в напівпровідниковій електроніці. Одним з таких прикладів може служити розробка польових транзисторів, які могли виконувати функції резисторів, керованих напругою. Типовий польовий транзистор реалізований на базі структури метал-окисел-напівпровідник і носить назву МОП-транзистор.
Розвиток дискретної напівпровідникової техніки, можливість автоматизації виробництва призвели до інтеграції. Ця ідея по суті не нова. Ще до Другої світової війни були спроби виготовлення інтегрального пристрою, що об'єднує резистор з конденсатором для катодного ланцюга електровакуумної лампи. Проте технологія того часу не дозволила реалізувати цю ідею.
Ідея інтеграції в напівпровідниковому виробництві прийшла з боку технології в електронному матеріалознавстві. У 1960 р. був запропонований метод виготовлення транзисторів у тонкому епітаксіальним шарі, вирощеному на монокристаллической підкладці. Таким способом вдавалося на міцній товстої підкладці створити транзистори стійкою базою. Відкрилася можливість розробки високочастотних транзисторів великої потужності. Було запропоновано використовувати транзистори з тонкоплівковими провідниками в межах однієї пластини. Такі транзистори отримали назву інтегральних, а кристали стали називати інтегральними схемами.
Таким чином, поряд з дискретною твердотільної електронікою з'явилася інтегральна електроніка, заснована на тонкоплівкової групової технології. У міру освоєння тонкоплівкової технології стали осідати тонкі плівки не тільки напівпровідникових, але й інших матеріалів: діелектриків, магнетиків і т.д.
Особливо широко розгорнулася тонкоплівкова індустрія тонких феромагнітних плівок, на базі яких створено багато високочутливі перетворювачі та пристрої. У нашій країні виготовлення тонких магнітних плівок і їх експериментальне дослідження вперше розпочато на початку 60-х років на фізичному факультеті МГУ ім. М.В. Ломоносова в лабораторії відомого магнітолога Р.В. Телесніна (1905-1985). Ці перші роботи послужили активним початком для багатьох перспективних напрямків дослідження фізичних властивостей тонкоплівкових феромагнітних матеріалів.

4.3 Підвищення ступеня інтеграції і нові технології

Основна продукція мікроелектроніки за останні десятиліття - різноманітні інтегральні схеми. Протягом досить тривалого часу спостерігається стійка тенденція експонентного збільшення ступеня їх інтеграції, для якої, як показує аналіз, можливі три шляхи зростання. Перший пов'язаний із зменшенням топологічного розміру й відповідно підвищенням щільності упаковки елементів на кристалі. Удосконалення технологічних процесів, особливо літографії, а також процесів травлення давало змогу щорічно зменшувати характерний розмір на 11%. В даний час досягнуто топологічний розмір 0,3-0,5 мкм, а в ряді експериментальних робіт використовується топографічний малюнок з ще меншими розмірами елементів. Подальше зменшення топологічних розмірів вимагає нових технологічних прийомів.
Збільшення площі кристала - другий шлях підвищення ступеня інтеграції. Однак отримання бездефектних кристалів великих розмірів - вельми складна технологічна задача. Наявність же дефектів різко знижує відсоток виходу придатних і збільшує вартість інтегральної схеми.
Третій шлях полягає в оптимізації конструктивних прийомів компонування елементів.
Передбачається, що на базі сучасної технології при виготовленні інтегральної схеми на монолітному кремнії може бути досягнута ступінь інтеграції до 10 ⁷ елементів на кристал. Зовсім недавно японська фірма "Хітачі" розробила нову серію 32-розрядного однокристального мікропроцесора, що містить 450 000 транзисторів.
Розробники інтегральних схем шукають способи подолання технологічних і фізичних бар'єрів на шляху підвищення ступеня інтеграції. Розробляються вертикальні структури, що відкривають певні перспективи тривимірної інтеграції. Проводяться роботи щодо компонування на одній пластині десятків мікропроцесорних великих інтегральних схем запам'ятовуючих пристроїв. Розробляються ультрабольшой і гігантські інтегральні схеми.
За останні десятиліття число активних і пасивних елементів на одному напівпровідниковому кристалі зросла від кількох десятків до сотень тисяч. Це призвело до того, що характерні розміри елементів інтегральних схем стають близькими до мікрометра. Такі схеми використовуються в складній малогабаритної електронній апаратурі, призначеної для роботів і гнучких автоматизованих виробництв, космічних комплексів, систем зв'язку та радіолокаційної техніки.
Однак незабаром стало ясно, що перехід до ще меншим розмірам елементів вимагає нового підходу. При отриманні розмірів топологічних елементів менше 1 мкм виникають принципові труднощі фізичного та технологічного характеру, властиві лише субмикронной мікроелектроніці. Ця область електроніки отримала розвиток в якості самостійного наукового напряму на початку 80-х років. Зі зменшенням розмірів елементів довелося відмовитися від ряду традиційних технологічних операцій. Так як довжина хвилі світла стала перешкодою на шляху мініатюризації, фотографію замінили електронної, іонної та рентгенівської літографією. Дифузійні процеси замінили іонної та електронно-стимульованої імплантацією. Термічне випаровування і відпал матеріалу замінили іонно-променевим, іонно-плазмовим, електроннопроменеві: з'явилася можливість локального впливу на поверхню напівпровідникового кристалу, коли кристал в цілому залишається холодним.
До останнього часу технологія грунтувалася на видаленні зайвого матеріалу з заготівлі подібно до того, як скульптор видаляє шматки мармуру, створюючи задуманий образ. На зміну такому процесу прийшла молекулярно-інженерна технологія, яка дозволить будувати прилади атом за атомом за аналогією з тим, як будинок складають по цеглинці. Вже зараз молекулярно-інженерна технологія знаходить застосування, наприклад, у виробництві приладів на основі молекулярних плівок, молекулярно-променевої епітаксії, іонно-зондової та електронно-стимульованої керованої імплантації. Для того щоб молекулярно-інженерна мікротехнологія стала реальністю, слід розвивати відповідні методи.
Використання в технологічному виробництві променевих методів (електронно-променевих, іонно-променевих, рентгенівських) спільно з вакуумною технологією дозволяє отримувати прилади з розмірами елементів до 10-25 нм. Перехід в цей діапазон вимагає вирішення фундаментальних питань, пов'язаних з новими фізичними принципами роботи приладів та обмеженнями, властивими планарним процесам.
Внаслідок великої напруженості електричного поля, що виникає в приладах з такими малими розмірами, механізми переносу дірок і електронів принципово змінюються Швидкість електронів стає дуже великою. Час між двома зіткненнями сильно зменшується. З'являється можливість відкриття нових фізичних явищ та побудови приладів на їх основі. Природно, що еволюція технологічних методів буде сприяти широкому проникненню наукових принципів у розробку інтегральних схем та пошуку фізичних ефектів для їх побудови.
З розвитком нових технологічних процесів розміри рукотворних структур стають співмірними з бактеріями, вірусами, макромолекулами.
У результаті взаємодії прискорених пучків іонів з речовиною можна цілеспрямовано змінювати їх фізико-хімічні та електронно-фізичні властивості, що дозволяє отримувати прилади з заданими характеристиками.
Сфальцьовані іонні потоки - це унікальний інструмент для прецизійної обробки всіх відомих матеріалів. Такий метод дозволяє створювати принципово нові конструкції приладів. Розробляються різні іонно-променеві установки. Рентгенівські установки дозволяють реалізувати тиражування зображень з субмікронними розмірами елементів, недоступних світловий оптиці. Сучасна технологія осадження тонких плівок дозволяє з точністю до 10 нм (це тільки на два порядки більше діаметра атома) витримувати розмір мікроелектронного приладу у вимірі, перпендикулярному площині підкладки. Формування з такою ж точністю малюнка на площині значно складніше. Воно зазвичай здійснюється за допомогою процесу літографії на основі технології друку.
З розвитком мікроелектроніки відбувається ускладнення схем і зменшення розмірів малюнка. Реалізується можливість отримання ліній шириною 0,5 мкм з допусками 0,1 мкм. Для виконання цих вимог необхідна розробка систем формування (синтезування) малюнка з дуже високою роздільною здатністю. Малюнок синтезується експонуванням (світлом, рентгенівським випромінюванням, електронним або іонним пучком з подальшим проявом прихованого зображення) відповідних ділянок тонкого шару резистивного матеріма, нанесеного на пластину, наприклад, кремнію.
Одночасно йде пошук нових застосувань субмикронной літографії. Виявлено, що можна реєструвати світловий потік не за допомогою фотодіода або іншого подібного приладу, а з допомогою провідників, чергування яких йде з кроком, кратним довжині хвилі світла, а світло падає уздовж цієї решітки. Прилад працює як антена, в елементах якої наводиться електричний струм. Розміри елементів такого приймача такі, що вони не можуть бути виготовлені традиційним способом фотолітографії. На допомогу приходить мікролітографія - електронна, іонна й рентгенівська.
Очікується, що найближчим часом промисловість освоїть інтегральні схеми з мініатюрними розмірами окремих деталей 0,2-0,3 мкм (200 - 300 нм). Число таких елементів у схемі - напівпровідникової пластині площею кілька квадратних міліметрів - досягне десятків мільйонів, тобто збільшиться принаймні в 1000 разів. Можливості інтегральних схем при цьому зростуть не в 1000 разів, а набагато більше. Передбачається, що в найближчі роки число елементів на кристалі досягне 7 млрд, правда, такий прогноз називають обережним.
Зараз основний матеріал напівпровідникових приладів - кремній. Перехід до наноелектроніці змушує звернутися і до інших матеріалів: арсеніду галію, фосфіду індію, кадмій - ртуть - телур та ін
З розвитком наноелектроніки змінюється і архітектура напівпровідникових приладів. Всі процеси, що визначають роботу інтегральної схеми і взагалі напівпровідникових приладів, як правило, відбуваються в тонких приповерхневих шарах товщиною до одного атомного шару. Це одномірна архітектура. Наноелектроніка дозволяє створювати тривимірні - багатошарові структури. Технологія отримання багатошарових структур розробляється. На цій основі розвивається новий напрям електроніки, зване функціональної електронікою. В першу чергу це оптоелектроніка. Розміри оптоелектронних структур можуть досягати 100 нм (частки довжин світлових хвиль), розміри окремих деталей - 20 нм.
Широким фронтом ведуться роботи з використання довгих органічних молекул в якості елементів мікросхем. Оперувати такими молекулами можна тільки за допомогою електронних і іонних пучків. Все більш реальним стає створення машини по аналогії з людським мозком з розвитком нових технологічних прийомів.
В даний час інтенсивно розвивається молекулярно-інженерна технологія, результатами твердотільної технології людство вже користується, і її вдосконалення та перехід до наноелектроніці і багатомолекулярних структурам наближаються до вирішення поставлених завдань.

5. Лазерні технології

5.1 Особливості лазерного випромінювання та різновиди лазерів

Лазер - це слово з'явилося порівняно недавно. Спочатку воно було відоме тільки вузькому колу фахівців-фізиків. Популярність його поступово зростала. А останнім часом дуже багато хто не просто чули про лазері, але і знають про його великих реалізованих і потенційних можливостях. У той же час найчастіше у неспеціалістів лазер навряд чи викликає позитивні емоції. Лазер? Нічого цікавого: трубка в корпусі, іноді навіть непривабливому, з якої виходить тоненький промінь - зелений, синій, частіше червоний. Чи є про що тут говорити? Виявляється, є. І фахівцям, і всім, хто далекий від розуміння фізичних явищ, пов'язаних з лазером. Для фахівців, в першу чергу фізиків, лазер дав життя вельми перспективному науковому напрямку - нелінійної оптики, яка охоплює дослідження поширення потужних світлових пучків у твердих тілах, рідинах і газах та їх взаємодії з речовиною. Лазери породили нові технології з унікальними можливостями. Для багатьох лазер - джерело незвичайного світла, який може вилікувати насувається сліпоту і на льоту вразити рухому ціль, миттєво просвердлити отвір в самій твердій деталі, зробленої, наприклад, з алмазу і т.д.
У чому ж незвичайні властивості лазерного випромінювання, лазерного променя? По-перше, лазерний промінь поширюється, майже не розширюючись. Нагадаємо: для того щоб промінь прожектора не розходився, використовують дуже увігнуте дзеркало і систему лінз, що збирають світло від джерела в пучок. Це допомагає, але мало: вже на відстані близько кілометра від прожектора промінь стає рази в два ширший. Лазеру ж збирають дзеркала і лінзи частіше за все не потрібні. Він і без них сам по собі випромінює майже паралельний пучок світла. Слово "майже" означає, що пучок лазерного світла не зовсім паралельний: існує кут розбіжності, але він порівняно малий - близько 10 ^-5 радий, і тим не менш, на великих відстанях він відчутний: на Місяці такий пучок, іспущенний з Землі, дасть пляма діаметром приблизно 3 км.
По-друге, світло лазера має виняткову монохроматичністю, тобто він має тільки одну довжину хвилі, один колір. На відміну від звичайних джерел світла, атоми яких випромінюють світло незалежно один від одного, в лазерах атоми випромінюють світло узгоджено. Заломлюючись в призмі, промінь білого світла перетворюється на яскраву веселку-спектр, а одноколірний, монохроматичного світло проходить через неї не розкладаючись. Лінза теж переломлює промені, збираючи їх у фокусі. Але білий світ вона фокусує в райдужне плямочка, а лазерний промінь - в крихітну крапку, діаметр якої може складати соті і навіть тисячні частки міліметра. Завдяки такій властивості лазерного променя стала можливою оптична запис інформації з високою щільністю - крихітні оптичні диски вміщають величезна кількість інформації - сотні мегабайт.
По-третє, лазер - наймогутніше джерело світла. У вузькому інтервалі спектра короткочасно (10 ^-11 с) досягається потужність випромінювання ^жовтня 1912 -10 ¹³ Вт з одного квадратного сантиметра, в той час як потужність випромінювання Сонця з тієї ж площі дорівнює лише 7 ^.1 0 ³ Вт, причому сумарно по всьому спектру . На вузький інтервал, рівний ширині спектральної лінії лазерного випромінювання, доводиться у Сонця всього лише 0,2 Вт / см ^2. Напруженість електричного поля в електромагнітній хвилі, випромінюваної лазером, становить 10 ¹⁰ -10 ¹² В / см; вона перевищує напруженість поля всередині атома.
Названі дивовижні властивості лазерного випромінювання додали світла нове обличчя. Ще на зорі розвитку лазерної техніки французький фізик Луї де Бройль сказав: "Лазеру уготовано велике майбутнє. Важко передбачити, де і як він буде застосовуватися, але я думаю, що лазер - це ціла технічна епоха".
У 1960 Г.Т. Мейманом (США) був створений перший лазер - рубіновий, що працює в імпульсному режимі. У ньому не вся енергія світла лампи накачування перетвориться в лазерну спалах. Більша її частина іде на непотрібний і навіть просто шкідливий нагрів стрижня та дзеркального кожуха. Могутні імпульсні лазери охолоджують потоком повітря, води, а іноді і рідким азотом. Частота генерації імпульсних лазерів може досягати більше 10 млн спалахів в секунду. Випромінювання таких лазерів сприймається як безперервне. Спалах імпульсного лазера має величезну потужність - тисячі ватів. Потужність цю можна підвищити, збільшивши розміри активного лазерного елемента. А можна позаду цього елемента поставити ще один лазерний стрижень з лампою-спалахом, тобто ще один лазер, але без дзеркал. Імпульс світла першого лазера змусить спрацьовувати другий. Обидва світлових імпульсу, склавшись, подвоюють потужність спалаху. Але розміри стрижня не можна збільшувати безмежно: чим більше стрижень, тим більше втрати світла в ньому. Тому стрижні навіть з кращих матеріалів немає сенсу робити довше 50-60 см. Випромінювання, сфокусоване в крихітне пляма, можна застосовувати для багатьох цілей, про деякі з них розказано нижче. Але все-таки це короткий світловий імпульс. Звичайно, їм можна пробити отвір, зварити дві металеві дроту і зробити багато інших корисних справ. Але для багатьох завдань значно зручніше було б мати безперервне лазерне випромінювання, скажімо, для зварювання або різання. Існує і таке випромінювання, його дають газові лазери. Газовий лазер був створений майже одночасно з рубіновим, в тому ж 1960 р. Він працював на суміші гелію і неону. Сучасні газові лазери працюють на багатьох газах і парах. Всі вони дають безперервне випромінювання в дуже широкому діапазоні довжин хвиль: від ультрафіолетового до інфрачервоного світла.
Однак на цих досягненнях вчені не зупинилися. Був створений газодинамічний лазер, схожий на реактивний двигун. У його камері згоряння спалюється чадний газ (окис вуглецю) з добавкою палива (гасу, бензину, спирту). Отримана при цьому суміш газів складається з вуглекислого газу, азоту та парів води. Молекули газу збуджені і готові до роботи: температура в камері згоряння доходить до тисячі з гаком градусів, а тиск - до 20 атм. Розпечені гази з камери згоряння витікають через розширюється реактивне сопло, іноді зване соплом Лаваля. У ньому газ розганяється до надзвуковій швидкості, охолоджуючись майже до нуля! Проносячись між дзеркалами, молекули газу випромінюють енергію у вигляді світлових квантів, народжуючи лазерний промінь потужністю 150-200 кВт. І це потужність не окремої спалаху, а сталого стійкого променя, сяючого, поки у лазера не скінчиться пальне.
Але не тільки газові лазери дають безперервне випромінювання. Його дає і напівпровідниковий лазер, який вдихнув життя в оптичну запис. Про її можливості розказано вище, про неї мають уявлення багато користувачів персональних комп'ютерів, що тримали в руках лазерний диск, який привабливий не тільки своїм зовнішнім виглядом, але й своєю інформаційною ємністю: на диску діаметром 12 см можна записати сотні тисяч сторінок тексту.
Серед напівпровідникових лазерів кращим по праву вважається лазер на основі арсеніду галію - з'єднання рідкісного елемента галію з миш'яком. Його випромінювання не відрізняється великою потужністю. Останнім часом проводяться інтенсивні роботи, спрямовані на створення напівпровідникового лазера, здатного генерувати безперервне випромінювання великої потужності.
Лазери можуть функціонувати як на твердих тілах, так і на газах. А чи можна побудувати лазер на рідини? Виявилося, можна. Рідини об'єднують в собі достоїнства і твердих і газоподібних лазерних матеріалів; щільність їх всього в декілька разів нижче щільності твердих тіл (а не в сотні тисяч разів, як щільність газів). Значить, рідинний лазер легко зробити таким же потужним, як лазер твердотільний. Оптична однорідність рідин не поступається однорідності газів, а значить, дозволяє використовувати великі її обсяги. До того ж рідина можна прокачувати через робочий об'єм, безперервно підтримуючи її низьку температуру і високу активність її атомів.
Найбільш широке поширення одержали лазери на барвниках. Називаються вони так тому, що їхня робоча рідина - розчин анілінових барвників у воді, спирті, кислоті та інших розчинниках. Рідинні лампи можуть випромінювати імпульси світла різної довжини хвилі - від ультрафіолетового до інфрачервоного світла - і потужністю від сотень кіловат до декількох мегават в залежності від виду барвника. Останнім часом розробляються хімічні лазери, в яких атоми переходять в збуджений стан при дії енергії накачування хімічних реакцій.

5.2 Волоконно-оптична зв'язок

На шляху використання лазерного променя встали труднощі: як передати його. Виникла цікава ідея: а якщо промінь пустити за гнучкою трубці з дзеркальними стінками? Її можна зігнути як завгодно, а промінь світла буде відбиватися від стінок і йти вперед. Його можна пустити і по суцільному скляному стрижня - товщиною в кілька тисячних міліметра скляному волокну. Скляні волокна можна збирати в джгути різної товщини, як мідні дроту в кабелі. Тонкі скляні нитки досить гнучкі, волоконний світловод можна згинати, зав'язувати вузлом і взагалі поводитися з ним, як із звичайним електричним дротом.
Останнім часом успішно розвивається волоконна оптика - розділ оптики, що вивчає процеси проходження світла та зображення через световодам і волноводам оптичного діапазону. Передавати по них можна не тільки окремі промені. але й цілі картини. За допомогою світловодів можна змінювати розміри зображення: якщо взяти волокно, що розширюється від початку до кінця, зображення збільшиться, якщо звужується - зменшиться. Гнучкі волоконні світловоди дозволяють ретельно оглядати внутрішні деталі машин і механізмів, не розбираючи їх: світловод вводиться всередину через невеликий отвір, світло від рампи потрапляє туди теж світловодом. Таким чином можна розглядати не тільки машину, можна заглянути в шлунок людини і подивитися, чи не загрожує йому виразка або інша неприємність.
По одному і тому ж световоду можна направити випромінювання другого лазера (з іншого довжиною хвилі), третього, четвертого. Кожен з них може нести свій сигнал. По одному волокну, по скляній нитки трохи товщі волосся можна одночасно передавати 32 000 телефонних розмов або 60 кольорових телевізійних програм! Зараз вже створені світловоди, здатні працювати в тих же умовах, що і звичайні дроти. Вони витримують великі коливання температури, зледеніння, пориви вітру. Їх можна прокладати в землі і натягувати на стовпах. Величезна пропускна здатність світловодів дозволяє створити мережу кабельного телебачення, що працює без перешкод і спотворень.
І ось що цікаво: природа примудрилася створити навіть такий складний пристрій, як волоконний світловод, та ще налаштований на певну довжину хвилі. Господар цього пристрою - білий ведмідь. Американським ученим вдалося встановити, що кожна шерстинка його шкури працює як оптичне волокно. Сонячне світло нагріває шерсть, а теплові промені йдуть по шерстинками до шкіри, зігріваючи звіра.
Волоконно-оптичні кабелі настільки вдало поєднуються з лазерним променем, що їх відразу ж вирішили пристосувати до передачі потужних пучків світла, на зразок тих, що використовуються в промисловості. Це було нелегко, але врешті-решт був створений світловод, за яким можна "перекачувати" енергію від потужного імпульсного або неперервного лазера.

5.3 Перспективні напрямки розвитку лазерних технологій

Лазерні технології по різноманіттю застосувань чи поступаються охопила в тій чи іншій мірі всі основні сфери людської діяльності мікроелектронної технології. Унікальна здатність лазерів концентрувати світлову енергію в просторі, в часі і в спектральному інтервалі може бути використана двояко: по-перше, при нерезонансних взаємодії потужних світлових потоків з речовиною в безперервному та імпульсному режимах, а по-друге, при селективному впливі на атоми, іони і молекули, що викликає процеси фотодиссоціації, фотоіонізації, фотохімічної реакції. У зв'язку з цим виникли дуже перспективні швидко розвиваються багатоликі лазерні технології, такі, як лазерна обробка матеріалів, лазерний термоядерний синтез, лазерна хімія, лазерний вплив на живу тканину, лазерна спектроскопія, лазерна зв'язок і багато інших. Лазерний промінь ріже, зварює, а також гартує, свердлить, перевіряє якість обробки деталей і робить безліч інших не менш важливих справ. Про все це розповісти неможливо, але про дещо спробуємо.
Газовий лазер потужністю до 5 кВт, що дає інфрачервоний промінь, дозволяє зварювати окремі деталі товщиною до 2 см. Шов при цьому виходить рази в чотири тонше, ніж при звичайній електрозварювання, а електроенергії витрачається в три рази менше! Лазер дозволяє легко автоматизувати зварювання, зварювати метали, які звичайним способом з'єднати не можна. Променем лазера можна різати сталевий лист товщиною до 40 мм. Причому не просто різати, але і вирізати з сталевого листа деталі самої вигадливої ​​форми. Для цього лазер робиться рухливим. Його рухом управляє ЕОМ. При цьому економиться до 15% матеріалу. Така лазерна установка може різати не тільки сталь, але й взагалі будь-який листовий матеріал.
Лазерний промінь може не тільки руйнувати, але і зміцнювати деталі, гартуючи їх з поверхні. Сталева деталь при цьому одягається загартованої "шкаралупою", твердою і стійкою до тертя, хоча і досить крихкою Якщо такою буде вся деталь, то від удару вона може розколотися, як скляна. Але в тому-то й справа, що її серцевина залишається пружною і в'язкою: лазерна спалах не встигає її прогріти. Така деталь стійка і до ударів, і до тертя, як знаменитий булат - гордість російських зброярів.
Лазер допомагає садити літаки. Ідеально прямі, яскраві промені різнокольорових лазерів утворюють у повітряному просторі аеродрому розмітку, за якою літак може точно вийти на посадку. Але лазер здатний не тільки полегшувати життя здорових людей, він може і лікувати хворих. Лазер - хірург і терапевт. Хірурги давно мріяли про інструмент, який робить безкровний розріз. Добре було б також, щоб він був "поніжніше". Адже сьогодні хірурги вміють робити операції на сітківці ока і вторгаються в святая святих організму - людський мозок. Орудувати там скальпелем - все одно що лагодити годинник сокирою. Сучасна техніка запропонувала інструмент, що поєднує в собі дуже багато чого, що необхідно хірурга, - світловий промінь.
Що може бути ніжніше дотику променя світла? Лазерним променем можна зробити розріз шириною в тисячну частку міліметра. У залежності від енергії, яку він несе, і часу впливу він може "заварити" посудина (медики кажуть: "коагулювати" його) або, навпаки, пробити в ньому отвір. Навіть колір променя виявився важливий у хірургії. Кров червона тому, що пропускає червоні промені, поглинаючи промені всіх інших кольорів. Тому рубіновий або гелій-неоновий лазер для "заварювання" судин не годиться. А якщо використовувати зелений або синій промені світла, які добре поглинаються кров'ю, можна домогтися миттєвого утворення згустку крові, що закупорює перерізаний судину. Таке світло дає аргоновий лазер. Бувають випадки, коли потрібно зруйнувати пошкоджену тканину, не зачіпаючи прилеглих судин. Тоді застосовують гелій-неоновий або криптонових лазер; промінь червоного кольору пройде крізь кровоносні судини, "не помітивши їх", не завдаючи їм шкоди, прямо в потрібне місце з пошкодженою тканиною.
Особливо зручний виявився лазер в офтальмології - області медицини, що відає зором. Лазерний промінь можна ввести в око прямо через зіницю. З його допомогою можна відрізати непотрібний посудину, заварити той, який протікає, і ліквідувати крововилив. Сьогодні після багаторічної практики лікування за допомогою лазерного променя можна твердо сказати, що лазерна хірургія ока - на правильному шляху.

5.4 Голографія і розпізнавання образів

Одного разу в музей невеликого міста привезли колекцію старовинних коштовностей. У вітринах, освітлених яскравими лампами, стояли маленькі засклені шкатулки, а в них дорогоцінними каменями і емалями виблискували старовинні ордени і брошки, тьмяно відсвічували золоті кільця і ​​браслети роботи давніх майстрів, золоті самородки химерної форми. Маленька кімната скромного провінційного музею перетворилася на казкову печеру, завалену незліченними скарбами: виставка була підготовлена ​​Алмазним фондом. Відвідувачі розглядали коштовності, захоплювалися майстерністю ювелірів, дивувалися величиною каменів і їхній грі. Але от настав вечір, відвідувачі розійшлися, і музей закрився. Тоді захвилювалися співробітники, які чергували в залі: робочий день закінчився, чому ж ніхто не приходить прибирати коштовності в сейф?! Вартість не піддається оцінці, а на вікнах немає навіть грат, хіба мало що! І тут до зали увійшов електрик і повернув вимикач ... Згасли лампи, і відразу зникли сяючі діаманти, дорогоцінні емалі і золото. У вітринах лежали листи скла, мутного і начебто бруднуватого. На виставці були не справжні коштовності, а фотопластинки з їх зображеннями! Але зображення ці не звичайні, як на фотографіях, а об'ємні. Їх можна розглянути з різних сторін і простим оком, і в лупу, їх можна фотографувати. Ось тільки торкнутися і понести їх з собою не можна. Спосіб запису такого об'ємного зображення носить назву голографія, а самі такі зображення і платівки з їх записом називаються голограмами. У перекладі з грецької "голографія" означає "повна запис": зображення на платівку дає ілюзію справжнього предмета.
Якщо для отримання голограми взяти паралельний пучок світла, а для її відновлення - розбіжний, то отримане зображення буде збільшеним. І тим сильніше, чим більше розходиться промінь. Освітивши голограму світлом не тієї ж довжини хвилі, а в 2, 3, 7 разів довшою, ми знову-таки отримаємо зображення, збільшене в стільки разів, у скільки одна світлова хвиля довше іншої! Таким способом можна побудувати голографічний мікроскоп, до того ж дає об'ємне зображення.
Отримувати зображення можна, зрозуміло, не тільки з об'ємних предметів, але і з плоских - букв, цифр, малюнків, фотографій. Це не означає, правда, що звичайна плоска малюнок після голографирования придбає об'ємність. Ні, це робиться для того, щоб можна було автоматизувати і інший, теж важливий процес - розпізнавання образів.
Розпізнати потрібний образ серед інших значить порівняти всі їх з еталоном, вибрати один єдиний, ідентичний йому. Завдання це часом буває дуже складна, вимагає досвідченого очі і тривалого досвіду. Перевірте, наприклад, скільки часу у вас піде, щоб у натовпі фігурок на малюнку впізнати дві однакові. Ознак, за якими вони порівнюються, всього п'ять-шість. А якщо їх буде тридцять-сорок? Завдання стає незмірно складніше і здається, що вона не може бути вирішена за допомогою машини. Але виявилося, що і в цій нелегкій справі може допомогти лазер.
Поставимо на шляху лазерного променя перевіряється кадр з відображеними на ньому образами (наприклад, мікрофотографії із зображенням двох-трьох сотень мікробів), потім голограму еталона, потім - екран. Будемо міняти діапозитиви: перший, другий, третій - екран залишається темним. Але раптом на ньому справа, зверху з'явилося яскраве пляма. Це означає, що в правому верхньому кутку кадру знаходиться шуканий образ! Якщо він в кадрі не один, то й точок на екрані буде декілька. Перевіряється кадр може бути не тільки діапозитивів. Пошук образів можна вести і на малюнку, і на екрані телевізора, в полі зору мікроскопа і навіть просто в просторі, освітленому лазерним світлом. Замість екрана ставиться світлочутливий датчик, який спрацьовує при появі світлового плями і відзначає знайдене зображення. На пошук за допомогою голографії витрачають в десятки тисяч разів менше часу, ніж при пошуку вручну. Таким способом можна вести пошук будь-яких образів при будь-якому їх числі, і навіть не з цілого образу, а за його фрагменту, невеликому шматочку. Таке зображення, відновлене за фрагментом, називається фантомним (від французького слова "привид", "привид").
Лазер - це не тільки об'ємна фотографія і бібліотека в кишені, не тільки нові надточні методи вимірювання і нова технологія. Лазер здатний давати багато, що стало вже звичним. Від нього можна очікувати і багато несподіванок, які в руках допитливих дослідників природи перетворяться в нові корисні справи.

6. Сучасні біотехнології

6.1 Виробництво штучних білків

Біотехнології засновані на використанні живих організмів і біологічних процесів у промисловому виробництві. На базі біотехнології освоєно масове виробництво штучних білків, поживних і багатьох інших речовин. Успішно розвивається мікробіологічний синтез ферментів, вітамінів, амінокислот, антибіотиків і т.п. Представляє практичний інтерес синтез інших біологічно активних речовин - гормональних препаратів та сполук, що стимулюють імунітет - із застосуванням сучасних методів генної інженерії та природних біоорганічних матеріалів.
Для збільшення виробництва продуктів харчування дуже важливі штучні речовини, що містять білки, необхідні для життєдіяльності живих організмів. Завдяки найважливіших досягнень біотехнології в даний час виробляється у промислових масштабах ціла гама штучних поживних речовин, по багатьом властивостям перевершують продукти природного походження.
Сучасні методи біотехнології дозволяють перетворити величезні кількості відходів деревини, соломи та інших залишків рослинних продуктів в цінні поживні білки. Такі методи включають процес гідролізаціі проміжного продукту - целюлози - з наступною нейтралізацією утворюється глюкози і введенням солей. Отриманий розчин глюкози представляє собою живильний субстрат мікроорганізмів - дріжджових грибків. У результаті життєдіяльності мікроорганізмів утворюється світло-коричневий порошок - високоякісний харчовий продукт, який містить близько 50% білка-сирцю і різні вітаміни. Живильним середовищем для дріжджових грибків можуть служити і такі що містять цукор розчини, як наприклад, патокова барда і сульфітний луг, що утворюється при виробництві целюлози. Для отримання харчових дріжджів в колишньому СРСР в 1980 р. було перероблено близько 3 млн т деревних відходів.
Певні види грибків можуть перетворювати нафту, мазут і природний газ у харчову біомасу, багату на білки. З 100 т неочищеного мазуту за допомогою грибків можна отримати 10 т дріжджової біомаси, що містить 5 т чистого білка і 90 т дизельного палива. Така ж кількість дріжджів може бути вироблено з 50 т сухої деревини або 30 тис. м ² природного газу. Для виробництва даної кількості білка було б потрібно стадо корів з 10000 голів, а для їх утримання потрібні величезні площі орних земель.
Промислове виробництво білків повністю автоматизовано, і швидкість росту дріжджових культур в тисячі разів вище, ніж великої рогатої скота.1 т харчових дріжджів дозволяє виробити близько 800 кг свинини, 1,5-2,5 т птиці або 15-30 тис. яєць і заощадити при цьому до 5 т зерна. Штучні білкові живильні речовини - продукція бурхливо розвивається мікробіологічної промисловості. Спиртове бродіння, що лежить в її основі, було відомо ще в кам'яному столітті - в стародавньому Вавілоні варили близько 20 сортів пива. Багато століть тому розпочалося масове виготовлення загальновідомих алкогольних напоїв. Епохальною подією мікробіології можна вважати розробку в 1947 р. промислового способу виробництва пеніциліну. Двома роками пізніше в Японії на основі глутамінової кислоти шляхом біосинтезу були вперше отримані амінокислоти. Потім стали проводитися антибіотики, вітамінно-білкові добавки до продуктів харчування, препарати ферментів, ростові речовини (наприклад, гібберілін), бактеріологічні добрива, засоби захисту рослин та інші цінні речовини.