«K computer», построенный RIKEN и Fujitsu, второй раз подряд занял первую позицию в 38-м списке TOP500, анонсированном 15 ноября в Соединенных Штатах. Суперкомпьютер создавался как часть «Высокопроизводительной вычислительной инфраструктуры», проекта, возглавляемого Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологии Японии.

Система состоит из 864 шкафов, в которых размещается 88 128 процессоров. В тесте LINPACK суперкомпьютер показал быстродействие 10,51 PFLOPS и операционную эффективность 93,2%. LINPACK используется в качестве тестовой программы для составления списка TOP500. Ниже приводится список суперкомпьютеров, занявших первых 10 мест в этом списке:

1. K computer
Локализация: RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS)
Производитель: Fujitsu
Страна: Япония
Максимальная производительность LINPACK: 10,51

2. Tianhe-1A
Локализация: National Supercomputing Center in Tianjin
Производитель: NUDT
Страна: Китай
Максимальная производительность LINPACK: 2,566

3. Jaguar
Локализация: DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory
Производитель: Cray Inc.
Страна: США
Максимальная производительность LINPACK: 1,759

4. Nebulae
Локализация: National Supercomputing Centre in Shenzhen (NSCS)
Производитель: Dawning
Страна: Китай
Максимальная производительность LINPACK: 1,271

5. TSUBAME 2.0
Локализация: GSIC Center, Tokyo Institute of Technology
Производитель: NEC/HP
Страна: Япония
Максимальная производительность LINPACK: 1,192

6. Cielo
Локализация: DOE/NNSA/LANL/SNL
Производитель: Cray Inc.
Страна: США
Максимальная производительность LINPACK: 1,110

7. Pleiades
Локализация: NASA/Ames Research Center/NAS
Производитель: SGI
Страна: США
Максимальная производительность LINPACK: 1,088

8. Hopper
Локализация: DOE/SC/LBNL/NERSC
Производитель: Cray Inc.
Страна: США
Максимальная производительность LINPACK: 1,054

9. Tera-100
Локализация: Commissariat a l'Energie Atomique (CEA)
Производитель: Bull SA
Страна:Франция
Максимальная производительность LINPACK: 1,050

10. Roadrunner
Локализация: DOE/NNSA/LANL
Производитель: IBM
Страна: США
Максимальная производительность LINPACK: 1,042

Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории наблюдали новый способ, посредством которого магнитные и электрические свойства могут сосуществовать в специальном классе материалов. Эти материалы, известные как мультиферроики, мог послужить в качестве основы для следующей генерации более быстрой и энергоэффективной логики, памяти и сенсорной технологии.

Напомним, что ферромагнетиками называются материалы, которые обладают постоянным магнитным моментом. Сегнетоэлектрики – это материалы, которые показывают постоянную электрическую поляризацию (в определенной области температур), которая изменяет направление при приложении электрического поля.

«В принципе, связь между материалами с упорядоченными электрическими и магнитными свойствами может привести к очень полезным устройствам, - говорит д-р Стюарт Уилкинс (Stuart Wilkins) из Брукхейвена. – Например, можно вообразить устройство, в котором информация записывается с помощью электрического поля, а читается с помощью магнитного. В качестве запоминающего устройства, оно будет быстрее и энергоэффективнее, чем существующие сегодня».

Но мультиферроики, материалы с постоянным магнитным полем, которое может быть обращено с помощью электрического поля, в природе очень редки. Сегнетоэлектричество и магнетизм стремятся исключить друг друга и слабо взаимодействуют при сосуществовании.

Большинство моделей, используемых физиками для описания этой связи, базируются на идее нарушения расположения атомов, или кристаллической решетки магнитного материала, что может приводить к электрической поляризации.

Теперь ученые обнаружили новый способ, с помощью которого электрические и магнитные свойства могут сосуществовать в материале. Группа использовала сверхинтенсивный пучок синхротронного рентгеновского излучения для изучения электронной структуры специального окисла металла из иттрия, марганца и кислорода. Они обнаружили, что связь магнитного и электрического полей вызывается внешним облаком электронов, окружающих атом.

« Ранее этот механизм предсказывался только теоретически, и его существование активно обсуждалось», - сказал д-р Уилкинс.

В исследуемом материале электроны атомов марганца и кислорода смешивают атомные орбиты таким образом, что создают атомные связи. Измерения показали, что этот процесс зависит от магнитной структуры материала, которая в данном случае приводит к тому, что материал становится сегнетоэлектриком, то есть появляется электрическая поляризация. В других словах, любое изменение в магнитной структуре материала дает в результате изменение вектора электрической поляризации. По определению такие материалы называются мультиферроиками.

Нарушение одного из самых старых эмпирических законов физики наблюдали ученые из Бристольского университета. Их эксперименты на пурпурной бронзе, металле с уникальными электронными свойствами в одном измерении, показали, что закон Видемана-Франца нарушается.

В 1853 г. два немецких физика, Густав Видеман и Рудольф Франц, изучая теплопроводность ряда элементарных металлов, на основании экспериментальных данных обнаружили, что отношение коэффициента теплопроводности к удельной электрической проводимости было приблизительно одинаковым для разных металлов при одной и той же температуре. Связь электропроводности и теплопроводности объясняется тем, что в обоих процессах участвуют свободные электроны.

В 1996 г. американские физики Чарльз Кейн (C. L. Kane) и Мэтью Фишер (Matthew Fisher) теоретически предсказали, что если электроны ограничить индивидуальными атомными цепочками, закон Видемана-Франца может нарушаться. В одномерном мире электрон расщепляется на две квазичастицы, или возбужденных состояния: одна несет спин, но не переносит заряд (спинон), вторая несет заряд, но не спин (холон). Когда холон встречает в цепочке атомов примесь, он отражается. Спинон, с другой стороны, может туннелировать через примесь и продолжить движение по цепочке. Это значит, что тепло будет проводиться через цепочку, а заряд – нет. Это и вызывает нарушение закона Видемана-Франца, которое усиливается с понижением температуры.

Группа экспериментаторов, возглавляемая проф. Найджелом Хуси (Nigel Hussey), проверяли это предсказание на пурпурной бронзе, материале, содержащем атомные цепочки, вдоль которых предпочитали двигаться электроны.

Примечательно, что исследователи обнаружили, что материал проводил тепло в 100 тыс. раз лучше, чем если бы выполнялся закон Видемана-Франца.

Аппарат из оригинальной статьи 1853 г., на котором был обнаружен закон Видемана-Франца

Разработанный учеными метаматериал показал, что он может излучать спектр, подобный излучению абсолютно черного тела, с эффективностью, превышающей естественные пределы, накладываемые температурой материала. Исследования возглавлял Вилли Падилла (Willie Padilla) из Бостонского колледжа.

Абсолютно черное тело – теоретически идеальный поглотитель всей падающей электромагнитной радиации, спектр излучения которого определяется его температурой. В термодинамическом равновесии излучаемая энергия равна поглощаемой.

Достижение, о котором сообщили Падилла с коллегами из Университета Дьюка и компании SensorMetrix, может привести к инновационным технологиям, используемым для получения энергии от производимого многочисленными индустриальными процессами тепла. Более того, искусственные метаматериалы предоставляют возможность управлять излучением, что может повысить эффективность преобразования энергии.

«Впервые метаматериалы продемонстрировали способность к излучению спектра абсолютно черного тела, что открывает дверь к многочисленным приложениям по сбору энергии, - сказал Падилла. – Энергия естественных излучателей зависит только от их температуры. Здесь у вас нет большого выбора. Метаматериалы, с другой стороны, позволяют сделать так, чтобы излучение покидало тело желаемым способом, так что вы можете управлять излучаемой энергией».

Ученые долго ищут идеальный материал для «абсолютно черного тела», чтобы использовать его в солнечных батареях и в термоэлектрических генераторах. До сих пор охота на такой класс термических излучателей была мало успешной. Некоторые редкоземельные окислы ограничены в количестве и дороги, вдобавок почти нерегулируемы. Сконструированные из искусственных композитов метаматериалы разрабатываются для преодоления пределов имеющихся физических компонентов, что позволило бы получить желаемые радиационные свойства.

Три года назад команда разработала «совершенный» поглотитель из метаматериалов, способный поглощать весь свет, который на него падает, благодаря наномасштабным геометрическим свойствам поверхности.

Работающий в среднем инфракрасном диапазоне экспериментальный излучатель достиг коэффициента излучения 98%.

«Наши измерения показали, что согласование между коэффициентами поглощения и излучения очень хорошее, - сказал Падилла. – Хотя это согласование и предсказывается законами Кирхгофа, впервые для метаматериалов была показана его справедливость».

Конструкция инфракрасного поглотителя из метаматериалов.
(а) вид сверху на однополосную ячейку поглотителя
(b) схематическое изображение двухполосного поглотителя
(с) и (d) аксонометрическая проекция одно- и двухполосного поглотителя

Ученые сообщили о важном достижении в области «одномолекулярной электроники», когда цепи в компьютерах, смартфонах, аудиоплеерах и других устройствах сожмутся до размеров песчинки. Речь идет о методе создания и присоединения тонких проводников, которые будут соединять молекулярные компоненты.

Юджи Окава (Yuji Okawa) с коллегами считает, что «ключом к одномолекулярной электронике является связь функциональных молекул друг с другом посредством проводящих нанопроволок. Для этого нужно решить две проблемы: как создать проводящие нанопроволоки в нужной точке и как обеспечить химическую связь между нанопроволоками и функциональными молекулами». Эта проблема стояла на пути многих исследователей, которые пытались создать проводники достаточно малыми для использования в молекулярных цепях.

Теперь ученые продемонстрировали метод, в котором используется зонд сканирующего туннельного микроскопа для запуска процесса формирования молекулярной цепи. Цепочка «проводов» спонтанно связывается химически с другими молекулярными компонентами в строящуюся цепь. Этот процесс учеными был назван «химической пайкой». Метод может быть использован для соединения молекулярных переключателей, бит памяти и транзисторов. Ученые говорят, что их техника «позволит разработать более дешевую производительную и «зеленую» альтернативу традиционным кремниевым устройствам».

В работе, выполненной Jeong Ho Cho из Soongsil University в Сеуле, Южная Корея, и Jong-Hyun Ahn из Sungkyunkwan University в Suwon, Южная Корея, достигнуты важные результаты по сравнению с растягиваемыми и прозрачными устройствами, о которых сообщалось в предыдущих публикациях на эту тему.

«Фактически, почти невозможно изготовить транзистор, который был бы одновременно растягиваемый и прозрачный на необычных подложках, таких как резиновая пластинка или воздушный шарик, используя традиционные материалы. В частности, графеновые устройства имеют те преимущества, что они могут интегрироваться с помощью процессов печати при комнатной температуре без применения вакуума или высокотемпературного нагрева. Возможности этих систем оставляют далеко позади системы, базированные на обычных материалах», – сказал Ahn.

Чтобы изготовить транзистор, исследователи синтезировали однослойные пластинки графена, и затем нанесли слой за слоем на медную фольгу. Используя фотолитографию и технику травления, они сформировали ряд важных элементов транзистора, включая электроды и полупроводящий канал, на графене. После переноса этих элементов на растягиваемую резиновую подложку, исследователи допечатали недостающие компоненты – изолятор затвора и электроды затвора – на устройства, используя растягиваемый ионный гель.

Исследователи обнаружили, что базированный на графене транзистор на резиновой подложке имеет несколько важных особенностей. Например, низкотемпературный процесс печати делает производство более простым.

Эксперимент подтвердил хорошую производительность графенового транзистора. Было показано, что устройство можно растягивать 1000 раз на 5%, и оно все еще показывает хорошие электрические свойства. В другом эксперименте исследователи размещали графеновые транзисторы на воздушном шарике и измеряли их электрические свойства по мере того как шарик раздувался. Когда он растянулся более чем на 5%, электрические свойства начали ухудшаться частично за счет микротрещин и других дефектов графеновой пленки.

Исследователи считают, что графеновые транзисторы могли бы служить основной компонентой в будущей прозрачной и растягиваемой электронике. Это могут быть сворачиваемые дисплеи, биологические датчики, принимающие форму поверхности и т. п.

Графеновый транзистор, сформированный на подложке PDMS (слева); изображение под микроскопом транзистора, подвергшегося растяжению на 5% (в центре); транзистор, сформированный на воздушном шарике (справа)

Исследователи из института ITEAM при Политехническом университете Валенсии в сотрудничестве с экспертами из Технологического университета Эйндховена и Университета МакГилл в Монреале достигли выдающегося успеха в области оптической связи. После многомесячных исследований они разработали революционный чип для оптических маршрутизаторов, способный работать в 100 раз быстрее существующих. Он является первой монолитной интегральной оптической схемой для оптических маршрутизаторов.

Новый чип способен прямо маршрутизировать оптические пакеты, что очень важно для будущих оптических маршрутизаторов. Кроме этого, он инкорпорирует базовые функции в размерах примерно в 100 тыс. раз меньших, чем другие подсистемы, а именно, его основание составляет 4,8 х 1,5 мм².

Значение этой разработки является существенным как в научно-техническом аспекте, так и в коммерческом. С точки зрения научной ценности – впервые стало возможным реализовать функции маршрутизатора в монолитном конструктиве, другими словами, все необходимые компоненты развернуты на одной подложке. Что касается коммерческих приложений, то новая разработка базируется на широко применяемой технологии интеграции, то есть использует компоненты, которые легко могут интегрироваться и не требуют дополнительных затрат для модификации имеющихся производственных линий.

Исследователи из государственного университета Северной Каролины (NCSU) разработали мягкое устройство памяти, которое хорошо работает во влажной среде, что открывает двери новой генерации биосовместимых электронных устройств.

«Мы создали устройство памяти с физическими свойствами желе», - сказал   д-р Майкл Дики (Michael Dickey).

Традиционная электроника в типичном случае является жесткой и ломкой и плохо работает во влажной среде. Прототип устройства еще не оптимизирован для получения больших объемов памяти, но хорошо работает в среде, которая враждебна традиционной электронике. Устройство сделано с помощью жидкого сплава металлов галлия и индия, размещенного в геле на основе воды, подобном тому, которое используется в биологических исследованиях. Устройство может быть использовано в качестве биологических сенсоров или для медицинского мониторинга.

Память функционирует подобно так называемым мемристорам, которые рассматриваются как возможная технология памяти следующего поколения. Индивидуальные компоненты мягкого устройства памяти имеют два состояния: в одном они проводят ток, в другом - нет. Эти два состояния могут использоваться для представления 1 и 0 в двоичной логике. Роль электронов в устройстве исполняют ионизированные молекулы.

В каждой цепи устройства памяти металлический сплав служит электродом и располагается на одной из сторон проводящего участка геля. Когда на электрод попадает положительный заряд, он создает окисленную поверхность, которая имеет высокое сопротивление. Когда на электрод попадает отрицательный заряд, окисный слой исчезает и сопротивление уменьшается.

Обычно, когда отрицательный заряд накапливается на одной стороне электрода, то положительный двигается к противоположной, создавая там окисный слой. Чтобы решить эту проблему, исследователи ввели полимерную примесь в пластинку геля, которая предохраняет от образования стабильного окисного слоя. Таким образом один электрод всегда оказывается проводящим, позволяя формировать 1 или 0.

 
Исследователи создали устройство памяти с физическими свойствами желе и работающее во влажной среде

Забудьте кремний. Компьютеры будущего, возможно, будут базироваться частично на бактериях. Ученые из Лондонского имперского колледжа заставили бактерию работать как логические вентили, базовые компоненты, которые используются для построения электрических цепей. Это важный шаг по пути создания биологических цифровых устройств.

Широко известная бактерия – кишечная палочка E. coli – была использована как основа для генетического вентиля AND. Для того чтобы вентиль был активирован, необходимы два входных сигнала для активирования двух независимых генов. Два белка, которые кодируются этими генами, активируют зависимый третий ген, который и формирует желаемый выход.

Этот вентиль был создан модульным, так что индивидуальные генетические части могут переставляться, позволяя менять вход или выход, управляя таким образом функциональностью вентиля.

Эта характеристика является ключевой для построения более сложных систем. Еще одним важным свойством этих вентилей было то, что они могли действовать независимо как от генетической среды хозяина, в данном случае E. coli, так и от внешней среды.

Хотя до создания живых компьютеров еще длинный путь, возможные применения очень интересны. Такие вентили могут быть использованы в человеческом организме для определения раковых клеток или для очистки артерий от бляшек, что может предотвратить сердечный приступ, они могут также использоваться для обнаружения ядов в окружающей среде и для их нейтрализации.

E. coli, растущая в чашке Петри

Физики из Калифорнийского университета (г. Риверсайд) сообщили, что они открыли новый способ создать позитроний, короткоживущий атом из электрона и позитрона, что может помочь ответить на вопрос, что случилось с антиматерией во Вселенной.

Антиматерия стала объектом новостных лент, когда ученым из ЦЕРН удалось продлить жизнь атомов антиводорода более 15 мин. В лаборатории UC Riverside физики сначала облучили образцы кремния лазером. Затем они имплантировали позитроны на поверхность кремния. Они обнаружили, что лазерный луч освобождает электроны кремния и они связываются с позитронами, образуя позитроний.

«Этим методом можно получать значительные количества позитрония в широком диапазоне температур, - сказал Дэвид Кассиди (David Cassidy) из департамента физики и астрономии. – Другие методы получения позитрония на поверхностях требуют нагревания образцов до очень высоких температур. Наш метод работает при почти любой температуре, включая очень низкие».

Кассиди объяснил, что когда позитроны имплантируются в материал, они могут иногда застревать на поверхности, где они очень быстро аннигилируют с электронами.

«В этой работе мы показали, что облучение поверхности лазером как раз перед поступлением позитронов производит электроны, которые, по иронии судьбы, помогают позитронам выжить на поверхности и избежать аннигиляции, - сказал проф. Аллен Миллс (Allen Mills). – Они делают это посредством образования позитрония, который спонтанно эмитирует с поверхности. Свободный позитроний живет более чем в 200 раз дольше, чем поверхностный, так что его проще обнаружить».

Исследователи выбрали кремний для своих экспериментов, поскольку он имеет широкое применение в электронике. Конечная цель исследователей – выполнить точные измерения на позитронии, чтобы лучше понимать свойства антиматерии.