Создание баз данных в области наноэлектроники как элементов информационной составляющей инфрастр (стр. 2 из 19)

В связи с вышеизложенным государственная научно-техническая и инновационная политика в этой сфере деятельности должна быть приоритетной и иметь, прежде всего, технологическую направленность, включая анализ рынка наукоемкой нанотехнологической продукции, прогнозирование возможного развития отдельных технологических направлений в области создания наносистем.

Обеспечение перехода от исследований к использованию их результатов для развития основ наноиндустрии заключается в создании благоприятных условий для поддержки проведения работ, включая информационную поддержку. Этому служат разрабатываемые в рамках настоящей работы региональный сегмент телекоммуникационной национальной нанотехнологи-ческой сети (ННС) и базы данных по тематическому направлению деятельности ННС наноэлектроника, обеспечивающих информационно-технологическую и аналитическую поддержку проведения исследований и разработок в области наноэлектроники, а также опытно-конструкторских работ, направленных на создание конкурентоспособных продуктов в этой области, их ускоренное промышленное освоение и коммерциализацию.

Создание современных баз данных в определенной предметной области, в частности, наноэлектронике, включает в себя несколько основных стадий:

- формирвание самой предметной области, представляющей собой часть реального мира, данные о которой мы хотим отразить в базе данных. Предметная область бесконечна и содержит как существенно важные понятия и данные, так и малозначащие или вообще не значащие данные, при этом их важность зависит от выбора предметной области и определяется разработчиком.

- разработку модели предметной области, представляющую собой формализованную модель предметной области, которая описывает процессы, происходящие в предметной области и данные используемые этими процессами. Наиболее информативным и полезным при разработке баз данных являются формальные описания процессов предметной области, выполненные при помощи специализированных графических нотаций.

- построение логической модели данных, которая описывает взаимосвязь понятий предметной области, а также ограничения на данные, налагаемые предметной областью. Логическая модель данных является начальным прототипом будущей базы данных. Она позволяет пользователям и разработчикам трактовать данные уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними. Логическая модель данных отражает три аспекта работы с данными – задание структуры данных, правила обеспечения целостности данных, правила манипулирования данными.

- создание физической модели данных, которая описывает данные средствами конкретной Системы Управления Базами Данных (СУБД). Отношения, разработанные на стадии формирования логической модели данных, преобразуются в таблицы, атрибуты становятся столбцами таблиц, для ключевых атрибутов создаются уникальные индексы, домены преображаются в типы данных, принятые в конкретной СУБД.

Согласно техническому заданию, задачами первого этапа настоящей работы были формирование предметных областей поиска и извлечения знаний по тематическому направлению деятельности ННС наноэлектроника, определение источников информации в глобальной телекоммуникационной Интернет- сети по заданному тематическому направлению деятельности ННС, поиск, выборка электронных материалов и представление записей в формате Excel с глубиной охвата с 1998 года по настоящее время, определение коллекций и отдельных источников, на которые необходимо оформить платную подписку.

1.Формирование предметных областей поиска и извлечения знаний по тематическому направлению деятельности ННС наноэлектроника.

1. 1. Задачи наноэлектроники

Современный научно-технический прогресс несомненно определяется развитием электроники, основой которой являются достижения в различных областях фундаментальных наук, главным образом, физики твердого тела, физики полупроводников, а также твердотельной технологии. Последние достижения науки показывают, что, в отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей.

Так, на протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия систем достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая в том, что квантовые эффекты (туннелирование, размерное квантование, интер-ференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физические процессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе.

Многообещающим является также создание наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и переработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная наноэлектроника). Новые возможности в повышении мощности, температурной и радиационной стойкости, расширении диапазона частот, улучшении эргономических характеристик приборов открывает направление, в котором синтезируются идеи и технологические достижения вакуумной и твердотельной электроники (вакуумная наноэлектроника).

Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная структура таких искусственных материалов обеспечивается выбором веществ, из которых изготовляются отдельные слои структуры («зонная инженерия»), поперечных размеров слоев (размерное квантование), изменением степени связи между слоями («инженерия волновых функций»). Наряду с квантово-размерными планарными структурами (двумерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки) исследуются одно- и нуль-мерные квантовые объекты (квантовые нити и точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электронными и световыми потоками в таких структурах.

Нанотехнологии призваны решить следующие задачи в электронике [1]:

- резкое повышение производительности вычислительных систем;

- резкое увеличение пропускной способности каналов связи;

- резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат;

- резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и расширение спектра измеряемых величин, что важно, в частности, для задач экологии;

- создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов;

- существенное увеличение удельного веса использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях.

Резкое повышение производительности вычислительных систем необходи-мо в связи с переходом технологии интегральных схем к нанометровому масс-штабу. В табл. 1 приведен прогноз уменьшения характерных размеров ИС па-мяти и процессоров (ITRSRoadmap 2002), в табл. 2 — перспектива уменьшения энергии на одно переключение.

Таблица.1

Year of production, нм	2003	2010	2013	2016
DRAM	1/2 Pitch	100	45	32	22
MPU	1/2 Pitch	107	45	32	22
MPU	Printed Gate Length	65	25	18	13
MPU	Physical Gate Length	45	18	13	9

Таким образом, развитие «традиционной микроэлектроники» подразумевает переход к нанотехнологии. Развитие нанотехнологии позволит сконструировать и принципиально новые элементы ИС, такие, например, как «одноэлектронные» устройства, потребляющие предельно малые энергии на переключение, или сверхбыстродействующие биполярные Si—Ge-транзисторы с базами толщиной в несколько нанометров. Устройства на основе наноструктур принципиально необходимы и для считывания информации в вычислительном процессе из-за предельно низких уровней сигналов. Примером могут служить магнитные считывающие устройства, основанные на эффекте гигантского магнетосопротивления, возникающем в слоистых металлических магнитоупорядоченных средах с толщиной слоев в несколько нанометров.

Таблица 2

Год	Энергия на
переключение, фДж
2003	0,137
2010	0,015
2013	0,107
2016	0,002

Резкое увеличение пропускной способности каналов связи подразумевает создание высокоэффективных излучающих и фотоприемных устройств для ВОЛС и устройств СВЧ-техники для терагерцового и субтерагерцовых диапазонов. Следует отметить, что эффективные лазерные диоды для линий связи есть типичный продукт нанотехнологии, поскольку они представляют собой квантово-размерные наногете

роструктуры с характерной толщиной слоев в несколько нанометров. Эффективные фотоприемные устройства также базируются на таких полупроводниковых гетероструктурах. Дальнейшее развитие излучающих и фотоприемных приборов с неизбежностью связано с развитием нанотехнологии квантовых точек — нанообластей в полупроводнике, ограничивающих движение электронов в трех направлениях. Здесь можно ожидать появления устройств принципиально нового типа, использующих квантово-механические закономерности.