Информация и ее физические носители

Приведем краткие определения основных понятий:

· Данные - это некоторые сведения.

· Информация - это данные, которые уменьшают неопределенность нашего знания и которые поэтому можно использовать.

· Сигналы - это физические носители информации.

· Единицы измерения информации: 1 бит (указание одной возможности из двух – да/нет или 0/1), 1 байт=8 бит, 1 Кбайт=2¹⁰=1024 байт, 1Мбайт=1024 Кбайт, 1Гбайт=1024 Мбайт и т.д.

Основными информационными процессами являются сбор, обработка, хранение и передача информации. В компьютерах для передачи информации используются электрические сигналы (импульсы электрического тока), в линиях связи для передачи информации используются импульсы электрического тока, электромагнитные волны, в том числе и свет (в волоконно-оптических линиях связи). Световое излучение используется в устройствах чтения и записи компакт-дисков. Для хранения информации используются магнитные носители (диски, дискеты). Во всех перечисленных процессах исключительно важную роль играют электроны - элементарные частицы с массой 9,110×10^{-31 кг с зарядом –1,602}×10^-19 Кл. Малость массы электрона позволяет очень быстро менять его состояния, а наличие электрического заряда, а также собственного магнитного момента позволяет использовать для воздействия на электроны различные электрические, магнитные поля, электромагнитное излучение. Собственный магнитный момент электрона связан с так называемым спином (собственным моментом) электрона. Частицы (электроны, атомы и т.д.) с магнитными моментами можно уподобить магнитным стрелкам [16].

Рассмотрим в качестве примера использование транзисторов в модулях памяти с произвольной выборкой (Random Access Memory). В применяемых в оперативной и видеопамяти модулях памяти с динамической выборкой (Dynamic RAM, DRAM) значение бита информации в ячейке определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, который управляется одним-двумя транзисторами. Из-за тока утечки конденсаторы разряжаются через короткое время, поэтому динамическая память должна периодически обновляться. Специальная схема через определенные промежутки времени осуществляет чтение и запись всех ячеек памяти. Более быстрые, но более дорогие модули со статической выборкой (Static RAM, SRAM) применяются в качестве быстрой буферной кэш-памяти в процессорах, на материнских платах, в винчестерах. Большая цена модулей SRAM обусловлена большим числом транзисторов p- и n-типа на ячейку (3-6), образующих логические вентили и триггеры, имеющие два устойчивых состояния (0 и 1). Применяются и КМОП-технология на основе транзисторов с несколькими затворами комплементарных (взаимодополняющих) МОП-транзисторов. При одном и том же напряжении на затворе один из КМОП-транзисторов открыт, а другой закрыт, и наоборот. Это и приводит к четкому формированию уровней напряжения, соответствующих логическим 0 и 1.

Характеристикой микропроцессора является минимально возможное расстояние между электрическими цепями внутреннего ядра процессора; чем меньше это расстояние, тем больше активных элементов можно разместить на единице площади и тем выше быстродействие. Сравнительно недавно процессоры выпускались по 0,25, 0,18 и 0,13-микронным технологиям (рис. 1.5, табл. 1.2), в настоящее время используется 90-нм технология, начинается их выпуск по 65-нм технологии [24-26].

Рис. 1.5. Одноядерный процессор Celeron M (слева) и двухъядерный процессор Athlon 64 X2 (справа) [24]

Таблица 1.2

Исследования в области миниатюризации привели к созданию опытных транзисторов по технологическим нормам 45, 32 и даже 22 нм [23]. Начиная примерно с 0,25-микронного техпроцесса физический размер (длина канала) МОП-транзисторов оказывается, в силу особенностей способа изготовления, меньше, чем технологические нормы производства. Так, для 0,13-микронного техпроцесса транзисторы имеют длину канала всего около 70 нм, в текущих 90-нм транзисторах длина канала 50 нм. В будущих транзисторах, изготовленных по нормам 65, 45, 32 и 22 нм, длина канала будет лишь около 30–35, 20–25, 15 и 10 нм. Однако существует фундаментальный предел современной микроэлектронной технологии. С уменьшением размеров транзисторов до нескольких нанометров (и росте частоты их работы), во-первых, пропорционально уменьшается число электронов/дырок, задействованных в переносе тока, — вплоть до того, что на каждое переключение КМОП-вентиля «приходится» лишь несколько десятков или сотен носителей заряда, а во-вторых, резко возрастает роль квантовых эффектов в нанотранзисторах.

Одним из перспективных направлений нанофизики является использование таких свойств электрона, как собственный момент (спин) и собственный магнитный момент (делающий электрон подобным магнитной стрелке), для создания квантового компьютера, спинового полевого транзистора и спиновой памяти [27]. Для реализации квантового компьютера предполагается использовать так называемые спиновые кубиты (квантовые биты). Спиновый кубит может находиться в двух устойчивых состояниях, “спин-вверх” и “спин-вниз”, соответствующих логическим “0” и “1” . Основной частью квантового компьютера, структура которого была предложена Р.Фейнманом в 1968 г., должна включать квантовый регистр – набор некоторого числа кубитов, квантовый процессор, выполняющий последовательность квантовых логических операций и устройство для измерения состояния кубитов для перевода в результат, пригодный для обычного вывода [27]. Спиновый полевой транзистор SFET (Spin Field-Effect Transistor) предполагается создать на основе эффекта магниторезистивного туннелирования спинов через прослойку изолятора, помещенную между слоями ферромагнитного материала. Для этого создаются новые материалы – магнитные полупроводники. После налаживания их промышленного производства сразу возрастет быстродействие, уменьшится энергопотребление и тепловыделение построенных на их основе микропроцессоров. Самой перспективной и близкой к техническому воплощению является спиновая память. Спинтроника позволяет перейти от битов (0 и 1 – два значения) к так называемым фитам – фазовым числам, способным принимать больший набор значений. Это позволит увеличить плотность записи и создать сверхплотную, энергонезависимую и сверхбыстродействующую память.