Нанокомпьютеры: действительно ли компьютеры могут быть микроскопическими?
По мере совершенствования технологий растет и стремление делать устройства как можно меньше. Мы видим это повсюду; от эволюции суперкомпьютеров до микрокомпьютеров мир стремился к максимальному уменьшению масштабов.
Что такое нанокомпьютеры?
Как следует из названия, под нанокомпьютингом понимаются действительно небольшие вычислительные процессы и устройства. Это термин, используемый для описания манипуляции, обработки и представления данных компьютерами размером меньше микрометра. Нанокомпьютерные устройства выполнены на полупроводниковых транзисторах длиной 100 нм и менее.
Давайте разберемся с этим. Нанокомпьютеры можно разделить на два слова: «нано» и «вычисления». Вычисления – это использование компьютера (аппаратного или программного обеспечения) для обработки данных и выполнения алгоритмических процессов. Нано – от слова нанометр. Так же, как сантиметр и метр, нанометр является единицей измерения длины и составляет одну миллиардную долю метра.
Насколько мал нанометр?
Сказать, что нанометр – это одна миллиардная часть метра, было бы очень абстрактно для вас. Итак, мы решили связать это с повседневным миром.
- Нить человеческой ДНК имеет диаметр 2,5 нанометра.
- Лист бумаги имеет толщину около 100000 нанометров.
- В одном дюйме 25 400 000 нанометров.
- Один нанометр – это примерно столько, сколько ваш ноготь вырастет за одну секунду.
- Диаметр одного атома золота составляет около трети нанометра.
- В сравнительном масштабе, если диаметр шарика был бы один нанометр, то диаметр Земли был бы около одного метра.
- Человеческий волос составляет около 75 микрон (сокращенно 75 мкм) или 75000 нм (нанометров) в диаметре.
Нанотехнологии и нанокомпьютеры
Нанотехнология – это использование очень маленьких вещей, таких как атомы и молекулы, для создания систем, структур и устройств. Он включает в себя исследование (наука и техника) материи с размерами от одного до ста нанометров.
Нанокомпьютер – это компьютер с действительно крошечной схемой, которую можно увидеть только с помощью микроскопа. Наши нынешние гаджеты сделаны из полупроводников длиной менее ста нанометров. Нанокомпьютеры работают, сохраняя данные в квантовых точках или спинах.
Из чего сделан нанокомпьютер?
Как и большинство компьютеров, нанокомпьютеры состоят из компьютерных микросхем, с той лишь разницей, что они значительно меньше известных вам микрочипов. Компьютерные микросхемы сделаны из полупроводника, называемого кремнием.
По мере того, как возрастают годы и растет стремление создавать устройства еще меньшего размера, все больше и больше транзисторов втискиваются в кремний. Современные процессоры содержат миллиарды транзисторов, соединенных между собой тонкими медными проводами. Каждый транзистор служит переключателем включения / выключения, отправляя, получая и обрабатывая информацию, а также контролируя ток через микросхему.
Преимущества нанокомпьютинга
Нанокомпьютинг означает вычислительные процессы, выполняемые устройствами, уменьшенными на десять или сотню единиц до тех пор, пока они не станут меньше ста нанометров. Это уменьшение увеличивает функциональность схемы экспоненциально до десяти тысяч раз.
Это также означает, что вычислительная мощность устройства увеличена в миллион раз. Это приводит к снижению энергопотребления и увеличению срока службы батареи. Также не нужно будет делать коробки и вентиляторы меньшего размера для охлаждения контуров.
Нанокомпьютеры также значительно быстрее, чем другие микрокомпьютеры, и могут выполнять вычисления, которые другие компьютеры были бы не в состоянии делать. Их уменьшенный размер также является дополнительным преимуществом, поскольку они становятся меньше, легче и удобнее в переноске. Они также невосприимчивы к шуму и другим неудобствам.
Недостатки нанокомпьютинга
Несмотря на то, что нанокомпьютеры имеют множество преимуществ, у них есть и недостатки. Создавать устройства, работающие на основе нанотехнологий, очень дорого и сложно. Уменьшение размеров устройств до микроскопических размеров требует уровня технических знаний и опыта, который можно удовлетворить только за счет больших средств.
Нанокомпьютеры также представляют угрозу для нынешней экономики. Появление нанотехнологий, как и многих других новых технологий, вызывает существенные изменения во многих областях экономики. Сначала нанокомпьютеры были бы дорогой роскошью и недоступной по цене, но со временем они стали бы более популярными и обычными. Это сильно повлияет на рынок, потому что технологии и компании, которые не адаптируются или не улучшаются, выйдут из бизнеса. А это могло привести к потере работы.
Микроскопическая природа нанокомпьютера также будет недостатком, поскольку их практически невозможно обнаружить. Нанокомпьютеры также могут быть превращены в микроскопические записывающие устройства и тайно записывать и нарушать конфиденциальность людей без какого-либо обнаружения.
Приложения нанокомпьютинга
Преимущества нанокомпьютеров делают их полезными в различных областях и процессах. Более быстрые вычислительные процессы обеспечивают повышенный уровень точности при разработке машинного обучения и искусственного интеллекта, прогнозирования погодных условий и распознавания сложных фигур на изображениях.
Двумя основными приложениями нанокомпьютеров, которые у нас есть в настоящее время, являются нанокомпьютеры ДНК и квантовые вычисления.
Нанокомпьютеры ДНК
Нанокомпьютинг предполагает использование наноразмерных структур для выполнения вычислительных процессов. Наноразмерные структуры, такие как белок и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), могут быть использованы для производства нанокомпьютеров.
ДНК-вычисления включают использование ДНК, оборудования молекулярной биологии и биохимии для выполнения вычислительных процессов вместо традиционных электронных вычислений, в которых используются кремниевые чипы. Информация в ДНК представлена с использованием четырехзначного генетического алфавита (A [аденин], G [гуанин], C [цитозин] и T [тимин]) вместо двоичных чисел (1 и 0), используемых в традиционных электронных компьютерах. .
В применении к отдельным и непоследовательным задачам нанокомпьютер ДНК лучше, чем традиционный электронный компьютер, поскольку он может хранить в памяти больший объем данных и выполнять несколько операций одновременно. ДНК-нанокомпьютеры значительно быстрее своих электронных аналогов.
Нанокомпьютеры ДНК применяются в медицине для контроля доставки лекарств в кровоток и обнаружения антител в иммунной системе человека.
Квантовые вычисления
Подобно нанокомпьютингу ДНК, вместо традиционных кремниевых чипов для выполнения вычислительных процессов используются квантовые биты или кубиты. Квантовый бит (кубит) – это основная единица квантовой информации. Это квантовая версия классического бита, но она может хранить больше информации, чем бит.
В квантовых вычислениях вычислительные процессы во многом зависят от принципов квантовой теории, то есть от поведения энергии на атомном и субатомном уровнях. В то время как компьютеры используют единицы и нули для кодирования информации, квантовые вычисления используют кубиты, которые могут существовать более чем в одном состоянии (как 1 и как 0) одновременно.
Квантовые компьютеры исключительно быстрее традиционных компьютеров. Квантовые вычисления можно использовать для улучшения машинного обучения, моделирования реакции на лекарства, улучшения транспортной логистики и финансовых моделей, а также для обработки больших объемов данных с высокой скоростью.
Нанокомпьютеры и будущее
Нанокомпьютинг – это отрасль нанотехнологии, которая включает уменьшение вычислительных систем и структур до нескольких нанометров. Хотя может пройти несколько десятилетий, прежде чем радикальные технологии нанокомпьютеров станут коммерчески доступными, нанокомпьютеры революционизируют то, как работают и строятся компьютеры.