Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Принцип обработки информации фенольным компьютером на примере вычисления 27+11 с выводом результата на собственный экран (верхняя ветвь) или с передачей традиционному двоичному устройству.
Примечание: при больших объемах вычислений более выгодно производить их в 6-ричной систем, а результат переводить непосредственно из 6-ричной системы в 2-ную. Это даст возможность максимально использовать быстродействие фенольного компьютера.
Рис. 2. Приблизительная модель молекулы фенола. Цветом отмечен частичный положительный и отрицательный заряды.

Фенольный компьютер

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, мнение, периодика, творчество, фенольный компьютер

Автор(ы): Фалалеев Николай Сергеевич

Опубликовал(а):  Шушарина Анастасия Леонидовна

11 ноября 2010

Введение.

В ближайшее время компьютерная техника может зайти в тупик. Рост производительности микросхем достигается за счет увеличения количества транзисторов. Уже сейчас литография стремится к 13 и 9 нанометрам. При таком экстенсивном подходе к развитию физический предел очевиден.

Одна из альтернативных концепций, которую сейчас могут предложить ученые, заключается в использовании так называемых Кубитов (q-битов) для построения квантовых компьютеров. Однако эта идея является на данный момент не более чем гипотезой, так как компьютер на подобных принципах при сегодняшнем уровне развития науки построить невозможно.

В настоящей же работе предложено пойти по пути интенсивного развития вычислительной техники, не забывая при этом о возможности реализации данной идеи. Предлагаемый проект основан на давно изученных фактах и может быть осуществлен на уровне развития науки, близком к современному.

Описываемая концепция компьютера является универсальной и может быть использована при построении вычислительных машин любого назначения.

Ниже предлагается решение актуальной задачи: значительного увеличения вычислительной мощности процессора при сохранении его физических размеров (прогрессивное развитие, в отличие от экстенсивного) за счет альтернативного подхода к созданию вычислительной техники с использованием потенциальных возможностей нанотехнологий.

Описание принципа работы и техническое обоснование.

Принцип работы.

В современных компьютерах для обработки информации используется двоичный код. Однако при таком подходе плотность самой информации очень низкая. То есть каждый значащий символ передает лишь один бит информации. С точки зрения компьютерной логики это вполне приемлемо. Но, как было сказано выше, практическая реализация такого подхода имеет очень серьезные физические ограничения, которые уже почти достигнуты.

Потому предлагаю использовать «гекст» (гекс - приставка, обозначающая шесть) вместо бита. То есть каждая элементарная единица информации должна быть описана не одним из двух возможных вариантов состояния системы, а одним из шести. Это значительно повысит плотность информации на единицу площади.

Есть причины перехода с двоичной системы на шестеричную, которые объясняются физическим аспектом данной идеи. Как легко догадаться из названия проекта – «Фенольный компьютер», суть данной идеи заключается в том, что вместо положительного или отрицательного заряда предлагается использовать положение молекулы фенола. А точнее расположение OH-группы относительно фенильной группы.

Как известно, фенол представляет собой фенильную группу с присоединенной OH-группой. Каждая молекула фенола может быть поставлена в одно из шести положений (по числу «углов» бензольного кольца), которые очень четко можно различить по ориентации OH-группы в плоскости кольца. Проще говоря, каждая молекула фенола несет в себе информацию, представляющую собой один из шести возможных вариантов.

Интеграция с существующим оборудованием.

Молекулы фенола для более легкой оценки объема информации и использования со стандартными современными компьютерными системами целесообразно группировать попарно. Легко видеть, что пара молекул фенола несет в себе информацию в размере чуть более 5 бит, а точнее 36 вариантов взаимного расположения двух OH-групп. Конечно, сохраняя привычное двоичное представление информации, можно использовать в каждой паре только 32 из 36 положений, а 4 оставить для перспективного развития данной системы.

Однако очевиден тот факт, что гораздо выгоднее с точки зрения объемов вычисления за единицу времени и как следствие его времени использовать не двоичную, а шестеричную систему исчисления. За единицу времени вычисление происходит в значительно большем объеме, чем в двоичной системе исчисления. То есть, на перевод из десятичной (так как прикладные задачи обычно используют именно такую систему) в шестеричную затрачивается время, сопоставимое с переводом из десятичной в двоичную. Но время самого вычисления резко уменьшается, так как каждая элементарный носитель (гекст) содержит в себе значительно большее количество информации и элементарные операции становятся, если так можно сказать эффективнее – за каждый элементарный шаг обрабатывается больший объем информации.

Пример.

При выполнении сложения 5+5 в двоичных кодах каждое слагаемое представляется кодом 101, то есть их запись займет 6 бит, которые и придется обработать в соответствии с заданным арифметическим действием. А в шестеричной системе счисления для этого надо обработать всего два «гекста». Выгода очевидна.

При необходимости прямого обмена информацией данной системы с компьютерами и устройствами традиционного образца (на основе двоичных кодов), возможно использовать четверичную систему счисления. При использовании четверичной системы счисления неизбежно получим некоторое понижение максимальной производительности, однако преимущества фенольного компьютера сохраняются. Четверичная система легко и быстро переводится в двоичную, что позволяет использовать традиционные устройства передачи информации. Стоит отметить тот факт, что переход с шестеричной на четверичную систему счисления легко осуществляется на уровне микрокода и не требует вносить какие-либо изменения в физическую конструкцию данного компьютера. Вышесказанное поясняет рис.1.

В любом случае, данный принцип требует разработки нового программного обеспечения и программного языка. Для более рационального использования возможностей компьютера требуется разработать и текстовые кодировки, учитывающие особенности употребления «гекста» вместо бита. Весь этот комплекс мер позволит оптимальным образом распорядиться преимуществами данной системы, которая значительно превосходит традиционные аналоги по всем основным показателям.

Возможности реализации. Физические принципы работы.

Данный проект имеет достаточно большую вероятность быть реализованным по сравнению со многими другими альтернативными компьютерами.

Работа компьютера, представленного в данном проекте, осуществляется за счет регистрации положения OH-группы молекулы фенола, а также непосредственного поворота молекулы. Бесспорно, данный проект для реализации нуждается в применении нанотехнологий. Однако реализовать его вполне реально.

Бензольное кольцо и ОН-группа, составляющие молекулу фенола, значительно влияют друг на друга. Фенильная группа оттягивает на себя неподеленную электронную пару от атома кислорода в ОН-группе. В результате на атоме водорода в OH-группе получает частичный положительный заряд, поэтому полярность связи О–Н увеличивается. (Рис.2.)

На основании вышесказанного, предлагается следующий принцип работы. Считывание информации о положении OH-группы, а также ее поворот может осуществляться за счет взаимодействия с электрическим полем. Изменяя поле на подложке, содержащей наноэлектронные компоненты, мы получаем возможность поворачивать молекулу. Положение OH-группы может быть определено путем регистрации поля, создаваемого молекулой фенола.

Преимущества и недостатки по сравнению с традиционными подходами.

Преимущества:

  • Возросшая производительность при том же размере.
  • Высокое быстродействие.
  • Компактность.
  • Позволяет хранить значительно больше информации при тех же габаритах. (Для сравнения: только затвор современного полевого транзистора стремится к 20 нм, а размер молекулы фенола менее 1 нм. Таким образом, габариты будут различаться более чем 20 раз).
  • Позволяет проводить больший объем вычислений в единицу времени при использовании одной вычислительной единицы.
  • Не подвержен деградации проводников.
  • Может работать в неблагоприятных условиях (в том числе в условиях радиации).
  • Больший срок службы.
  • Дешевизна самой вычислительной части (фенола), а при массовом производстве и всего фенольного компьютера.
  • Универсальность: принцип может быть использован при производстве процессоров или памяти.

Недостатки:

  • Ядовитый фенол требует относительно серьезной защиты.
  • Требует некоторых дополнительных устройств для полной совместимости с традиционным окружением.
  • Требует дополнительных разработок в области наноэлектроники.
  • Требует разработки нового программного обеспечения.
  • Перспективы практического использования.

Данная концепция может быть использована во всех областях, где применяется вычислительная техника: от науки до индустрии развлечений. Особенности конструкции и ее свойства (высокая производительность) позволяют предположить, что в первую очередь данный компьютер может быть использован при научных расчетах и в областях, требующих хранения огромных объемов информации. Однако, в дальнейшем фенольный компьютер может быть у спехом использован и в повседневной практике: офисные работы, экономические расчеты, работа с мультимедиа и пр. Бесспорно, обработка изображений, видео требует большой вычислительной мощности, потому данный компьютер, наверняка, будет полезен в дизайн-студиях, в киноиндустрии (особенно для компьютерной анимации и мультипликации).

Стоит обратить внимание и еще на одно преимущество фенольного компьютера: возможно, построить сопоставимый традиционному по производительности фенольный компьютер, который будет во много раз компактнее и легче. Это свойство может найти применение во многих областях, среди которых не последнее место занимают и космические технологии. Как известно, цена отправки каждого лишнего килограмма в космос стоит больших денег, потому фенольный компьютер при установке на космический корабль позволит уменьшить стоимость запуска и освободить место для дополнительного научного оборудования. Конечно, фенольный компьютер понадобится и в батискафах, и в различных летательных аппаратах, так как все они нуждаются в компактном, легком и производительном бортовом компьютере.

Таким образом, за счет высокой производительности, компактности и других преимуществ по сравнению с традиционной схемой, фенольный компьютер может быть использован как полная альтернатива существующим. Что, к тому же, позволит значительно расширить сферу применения вычислительной техники, а это, в свою очередь, будет способствовать развитию науки и даст в руки человеку новые возможности.

Список использованной литературы:

  1. Е. Д. Пожидаев, Химия. Издательство: Группа ИДТ, 2008 г.
  2. Н.Л.Глинка Общая химия Издательство: Интеграл-Пресс, 2008 г.
  3. С. Пахомов Эра трехмерных транзисторов, журнал КомпьютерПресс №1'2003
  4. Ергожин Е.Е., Акимбаева А.М Анионообменные материалы на основе модифицированных шунгитов. Институт химических наук им. А.Б. Бектурова, г. Алматы, Казахстан.
  5. Y.-M. Lin, C. Dimitrakopoulos, K. A. Jenkins, D. B. Farmer, H.-Y. Chiu, A. Grill, Ph. Avouris 100-GHz Transistors from Wafer-Scale Epitaxial Graphene Science 5 February 2010: Vol. 327. no. 5966, p. 662
  6. Online энциклопедия «Кругосвет».
  7. Wikipedia.


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Чтобы молекула фенола могла быть использована как носитель информации, она должна быть: 1) локализована на поверхности, доступной для считывающего зонда, таким образом, чтобы ее координаты не менялись в процессе хранения, то есть образовывать с поверхностью прочную химическую связь, не нарушающую химические связи внутри молекулы фенола и симметричную относительно всех шести внешних заместителей бензольного цикла, а такая связь может быть только гапто-6 пи-координационной, давно известен пример такой связи в дибензолхроме, плавящемся при 285 по Цельсию ещё без разложения, то есть такая связь достаточно прочна для такого применения. Однако энергетический барьер вращения бензольного кольца в комплексах такого рода весьма низкий, поэтому OH-группа без участия в дополнительных супрамолекулярных взаимодействиях зафиксирована быть не может, при этом водородная связь этой группы слишком слаба, чтобы обеспечить сохранность информации при комнатной температуре, а хранение при низких температурах требует надёжной работы системы охлаждения и её стабильного питания, что исключает компактность и создает высокие риски утраты информации. Внешние супрамолекулярные взаимодействия достаточной для прочной памяти энергии потребуют либо координации фенольной группы с металлом (6 структурно эквивалентных атомов металла должны быть зафиксированы на этой поверхности вокруг каждой молекулы фенола так, что с каждым атомом металла будет соседствовать только одна молекула фенола, и контрзаместители атомов металла, окружающих разные молекулы фенола, не будут создавать взаимных помех, что требует достаточно большого расстояния между молекулами фенола на поверхности, вряд ли удастся меньше чем 1,5 нм, при этом обычный изгиб угла C-O-M будет мешать зафиксировать фенол, а быстродействие из-за барьера реакций замещения при металле будет низким - гораздо медленнее, чем при донорно-акцепторном связывании), либо замены фенольной группы на более удобную группу - образующую более прочные негнущиеся связи (например, цианидную или изоцианидную, допускающую переключение донорно-акцепторных связей со стабильными борорганическими акцепторными группами) или полидентатную (амидную, COOH, меламиновую или др.), образующую достаточно прочные водородные связи, но расстояние между бензольными кольцами при этом существенно уменьшить не удастся. Таким образом, плотность записи информации на единицу площади при этом заведомо не удастся сделать большей, чем при гораздо более простых химически и потому гораздо более компактных двухпозиционных способах записи.
Таким образом, хотя идея сама по себе интересная, в приведенном автором обосновании, весьма пространном, ни один из указанных мной множества факторов, являющихся ключевыми для возможности ее реализации и в конечном итоге почти наверняка предопределяющих ее непредпочтительность, не был упомянут, что говорит о слишком плохом для претензий на участие в подобном проекте знании химии.
Угу.
А ещё фенол должен не окисляться на воздухе, не образовывать солей. При радиации, кстати, работать не сможет вообще.
Скорость работы действительно будет определяться химией и молекулярой динамикой, а не электричеством и скорее всего будет ниже.

Ещё есть такая вещь, как пригодность системы счисления для компьютера. Информатики говорят, что наиболее устойчивая и пригодная система должна иметь основание натурального логарифма, то есть е. 6-ричная будет хуже, чем двоичная, так как будет больше ошибок. Причин этого я не понимаю, но вроде они говорили серьёзно.

Иван Владимирович, по полёту мысли эта работа ничем не хуже публикуемых в серьёзных журналах ДНК-компьютеров. И продуманность на самом деле весьма неплохая.

Что касается гапто-комплексов... ну не знают школьники что это такое. Большинство студентов думаю, тоже.
А ведь есть большие циклы, те же краунэфиры...
Вот где простор для фантазии! :)
Истинно Русский Компьютер должен строиться на
молекулах этанола!
Режабек Борис Георгиевич, 12 января 2011 00:48 
Фантазия - качество величайшей ценности! - говаривал Вождь мирового пролетариата.
Пролетарии умственного труда, соединяйтесь!!!

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

David star
David star

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.