Чтение онлайн

Пройдя начальный период развития, нанотехнологии уже перестали быть предметом интереснейших физических исследований и философских рассуждений, превратившись в мощный механизм создания совершенно новых материалов и производственных процессов. На их основе в настоящее время уже созданы и производятся многочисленные и разнообразные изделия (от новых типов тканей до устройств направленной доставки лекарств в организме). Более того, уже создано огромное число успешно функционирующих прототипов других нанотехнологических устройств и материалов, включая готовые к производству образцы новейших радиоэлектронных устройств.

Нанотехнологии являются не научным капризом, а одной из основных тенденций развития современной промышленности. Английская поговорка гласит, что отсутствие новостей – хорошая новость. Исходя из этого парадоксального определения, будем считать хорошей новостью тот факт, что нанотехнологии не только уже существуют, но и превратились в новый товар, новую общую ценность! Умение управлять веществом в нанометрическом, атомно-молекулярном масштабе обещает невиданные изменения в промышленном производстве и связанные с этим огромные прибыли в ближайшее десятилетие или, самое позднее, к концу 2020-х годов.

В качестве еще одной хорошей новости (то есть отсутствия особой новизны!) отмечу, что новейшие открытия в области нанотехнологий позволяют надеяться в близком будущем на достижение поразительных результатов в производстве новых товаров, медицине и образе жизни вообще!

Стив Джарветсон

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

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

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

4.1. Экспоненты технологического роста

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

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

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

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

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

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

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

4.2. Закон Мура

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

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

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

4.2.1. Важность закона Мура

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

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

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

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

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

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