Математики Филип Грессман (Philip Gressman) и Роберт Стрейн (Robert Strain) из Департамента математики штата Пенсильвания нашли решение одного из важнейших уравнений неравновесной статистической механики, которое было сформулировано Людвигом Больцманом и Джеймсом Максвеллом в 1867--1872 гг.:

Как весьма любезно заметил в комментарии Алексей Малышенко, это НЕлинейное ИНТЕГРОдифференциальное уравнение от семи переменных - трех пространственных, трех проекций импульса и времени.

Филип Грессман

Это уравнение было предложено для предсказания распределения газообразного вещества в пространстве при изменении температуры, давления или скорости. Оно дает вероятность локализации молекулы газа в данное время в данной области с данным импульсом. Уравнение хорошо описывает поведение газа и подтверждается экспериментом. Вопреки широкому его использованию при моделировании поведения газа, решение было получено только для состояния равновесия, а в общем случае его не могли получить почти 140 лет.

Роберт Стрейн

Используя современные математические методы теории дифференциальных уравнений в частных производных и гармонического анализа, многие из которых были развиты в течение последних 50-ти лет, математики из Пенсильвании доказали глобальное существование классического решения и время достижения равновесия для уравнения Больцмана при взаимодействиях на больших расстояниях. Глобальное существование и быстрое установление равновесного состояния дают гарантию, что небольшие возмущения не повлекут разрывы в решении, т. е. корректность описания физического явления.

Устройство, изобретенное инженерами из Калифорнийского университета Дэвиса, может значительно ускорить преобразование импульсов света в электрические сигналы и наоборот. Технология может быть использована для сверхбыстрой и высокоемкой связи, получения изображений земной поверхности и криптографии.

По заявлению разработчиков, устройство работает почти в 10 тыс. раз быстрее, чем реализованные на современных технологиях приборы для обработки световых импульсов. Оно преодолевает ограничения существующих подходов, измеряя как амплитуду, так и фазу импульса одновременно, и может измерять информационную емкость в 100-терагерцевой области в режиме реального времени. Современная же электроника ограничена информационной емкостью в десятки гигагерц.

Высокочастотные импульсы могут нести больше информации за данное время. Получая возможность быстро декодировать волну сложной формы в цифровые электронные сигналы, устройство сможет упаковывать больше данных в оптический сигнал. То же самое устройство может быть использовано и для работы в обратном направлении – генерации оптических сигналов из электронных.

Устройство разработано исследовательской группой, возглавляемой проф. С. Дж. Бен Ю (S. J. Ben Yoo). Следующий шаг – реализация устройства в небольшом кремниевом чипе.

 Первый беспереходный транзистор был создан исследователями из Ирландии. По их заявлению устройство, структура которого была предложена еще в 1925 г., но реализованная только сейчас, имеет почти «идеальные» электрические свойства. Потенциально оно могло бы оперировать быстрее и потреблять меньше, чем любой традиционный транзистор, присутствующий сегодня на рынке.

Все современные транзисторы содержат полупроводниковые переходы. Наиболее распространенным типом является p-n-переход, который формируется контактом между частями кремния с p- и n-типом проводимости соответственно. Другие типы переходов включают гетеропереход, который является просто p-n-переходом между двумя различными полупроводниками, и барьер Шотки между металлом и полупроводником.

Количество транзисторов в одном кремниевом микрочипе увеличивается экспоненциально, начиная с начала 1970-х, и сегодня достигает нескольких миллиардов. Однако, чем меньше транзистор, тем труднее создать высококачественные переходы. В частности, очень трудно изменять концентрацию примесей, когда расстояния становятся менее 10 нм. Беспереходный транзистор может, таким образом, способствовать дальнейшей миниатюризации чипов.

Теперь Жан-Пьер Колинь (Jean-Pierre Colinge) с коллегами из Национального института им. Тиндалля отказались от идеи перехода, а взамен этого вернулись к концепции, впервые предложенной в 1925 г. австро-венгерским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфильдом (Julius Edgar Lilienfield). Запатентованное им «устройство для управления электрическим током» является простым резистором и содержит затвор, который управляет плотностью электронов и дырок, и, таким образом, значением тока.

Устройство версии ирландских исследователей содержит кремниевую нанопроволоку, ток в которой управляется кремниевым затвором, который отделяется от нанопроволоки тонким изолирующим слоем. Структура, по сути, очень проста и выглядит подобно телефонному кабелю, который зафиксирован на поверхности пластиковым зажимом. Кремниевая нанопроволока сильно легирована n-носителями, что делает ее отличным проводником. Однако сам затвор легирован p-носителями, и его присутствие оказывает эффект обеднения количества электронов в области нанопроволоки, расположенной под затвором.

Если напряжение прикладывается вдоль нанопроволоки, то ток не может течь через эту обедненную область. Согласно Колинь, эта область «сжимает» ток в нанопроволоке подобно тому, как поток воды в рукаве прекращается, если тот пережать. Однако, если напряжение прикладывается к затвору, эффект сжатия уменьшается и ток начинает течь.

Эта структура просто создается даже в нанометровой шкале, что приведет к снижению стоимости по сравнению с обычными транзисторами. Устройство имеет также почти идеальные электрические свойства и ведет себя подобно большинству высококачественных транзисторов.

Графен обещает большие возможности в таких областях, как радиотехника, компьютеры, телефоны и другие электронные устройства. Но его практическое применение затруднено тем, что этот полуметалл, который имеет нулевую запрещенную зону, не эффективен как полупроводник для усиления или переключения электронных сигналов.

Хотя нарезанные из графеновых листов нанометровые ленты дают бóльшую запрещенную зону и улучшенные функции, устройства на нанолентах часто обладают малым управляющим током, и на практике такие устройства требуют создания плотных массивов упорядоченных нанолент, процедуры, которая до сих пор не достигнута и ясно не осознана.

Однако Ю Хуан (Yu Huang), профессор материаловедения Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе, и ее команда исследователей при сотрудничестве с профессором химии Сянфен Дуан (Xiangfeng Duan) могут найти новое решение этой проблемы.

Они объявили о создании новой графеновой наноструктуры, которую назвали графеновой наносеткой (graphene nanomesh, GNM). Новая структура способна образовывать запрещенную зону в большом листе графена и создать высокооднородную непрерывную полупроводниковую тонкую пленку, которая может обрабатываться стандартными планарными методами.

«Наносетка создается посредством перфорации высокоплотного массива наноотверстий в одном или нескольких слоях графена с использованием в качестве маски самоорганизующихся блоков сополимерной тонкой пленки», - пояснила проф. Хуан.

Наносетка может иметь разную периодичность ячеек, которая определяется расстоянием между центрами двух смежных отверстий. Перешейки, кратчайшие расстояния между краями двух смежных отверстий, могут быть менее 5 нм.

Возможность регулировать периодичность сетки и ширину перешейков является очень важной для управления электронными свойствами, поскольку транспорт зарядов сильно зависит от ширины и количества путей для тока.

Используя такую наносетку в качестве полупроводникового канала, Хуан и ее команда продемонстрировали работающие при комнатной температуре транзисторы с током почти в 100 раз большим, чем графеновые устройства на лентах, но с сопоставимым отношением токов включения-выключения. Исследователи также показали, что это отношения может регулироваться посредством изменения ширины перешейков.

По мнению проф. Хуан, концепция GNM открывает путь к практическому применению графена как полупроводникового материала для будущей электроники. Уникальная структура и электронные характеристики позволят использовать GNM для создания чувствительных биодатчиков и спинтронных приборов, от магнитных головок до устройств хранения.

С точки зрения технологического прогресса система для подводных оптических коммуникаций, разработанная Океанографическим институтом Вудса Хола (Woods Hole Oceanographic Institution – WHOI), оценивается наряду с сотовыми телефонами и беспроводным доступом к Интернету. Она является дополнительной к акустическим системам и, возможно, совершит революцию в высокоскоростном сборе и передаче данных под водой.

Наряду с передачей видео в режиме реального времени с затопленных судов без проводных коммуникаций вплоть до поддержки плавающих на поверхности судов, комбинация характеристик сделает возможным функционирование автономных удаленно работающих аппаратов без требования физической связи с ними.

По сравнению со связью в воздухе, связь под водой имеет существенные ограничения, поскольку в воде электромагнитные волны распространяются плохо, исключая видимый диапазон. Даже в этом случае свет в самой чистой воде проникает на расстояние только нескольких сотен метров.

Именно поэтому получила развитие акустическая техника, которая сегодня доминирует в подводной связи между судами и небольшими автономными аппаратами и роботами. Однако акустические системы хотя и способны к дальней связи, но передают данные с небольшой скоростью.

Теперь старший инженер Норманн Фарр (Norman E. Farr) и его команда разработали оптическую систему связи, которая дополняет и объединяется с существующими акустическими системами, допуская скорость передачи данных до 10—20 Мб/с на расстояние 100 м и затрачивая при этом относительно небольшую энергию.

Разработка позволит осуществлять почти мгновенную передачу данных от несвязанных кабелем и автономных подводных аппаратов, оборудованных датчиками, камерами и другими устройствами, собирающими данные, к кораблям на поверхности. Для этого лишь потребуется соответствующий кабель-ретранслятор, погруженный в воду.

По словам Фарра, это позволит добиться значительного прогресса в широком спектре подводных исследований, от измерения кислотности воды до идентификации морской фауны, извержения вулканов и снимков морского дна. Вдобавок оптическая система будет управляема.

Класс молекул, чьи размеры, структура и химический состав могут быть оптимизированы для использования в фотонике, может обеспечить требуемую комбинацию свойств, необходимых для создания высокоскоростной полностью оптической обработки сигналов.

Полностью оптическая коммутация позволила бы значительно повысить скорости передачи в телекоммуникациях за счет отказа от преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот, а оптическая обработка поспособствовала бы созданию оптических компьютеров с небывалой производительностью.

«Поведенное исследование показало, что, по крайней мере, с молекулярной точки зрения мы можем идентифицировать и производить материалы, которые имеют необходимые свойства для полностью оптической обработки сигналов, - говорит Сет Мардер (Seth Marder), профессор из Технологической школы химии и биохимии штата Джорджия. – Это открывает двери для подхода к этой проблеме с совершенно другой стороны».

Материалы из полиметинового органического красителя, разработанные командой из Джорджии, соединяют в себе такие свойства, как сильная нелинейность, низкие нелинейные и линейные оптические потери. Материалы с такими свойствами являются крайне важными для разработки нового поколения устройств для высококонтрастного оптического переключения сигналов на длинах волн, использующихся в телекоммуникациях. Сохранение оптического формата данных позволило бы существенно повысить скорость передачи медицинских снимков с высокой детализацией, разрабатывать новые приложения удаленного присутствия, высокоскоростное распознавание образов и даже быстрой загрузке кинофильмов в высоком разрешении.

Но желаемые оптические свойства этих новых материалов пока продемонстрированы только в растворе. Для практического применения исследователи должны получить их твердую фазу и решить длинный список других проблем.

Физики существенно продвинулись вперед в разработке практических фононных лазеров, которые излучают звук во многом подобно тому, как оптические лазеры излучают свет. Разработка приведет к новым высокоразрешающим формирователям изображения и медицинским приложениям. Так же как оптические лазеры нашли применение в многочисленных устройствах, фононные лазеры будут основной частью массы трудновообразимых сегодня приложений.

Две независимые группы, одна в США и другая в Соединенном Королевстве, сообщают о существенном продвижении в разработке фононных лазеров.

Свет и звук во многом подобны: они имеют как волновые свойства, так и корпускулярные (фотоны в случае света и фононы в случае звука). Вдобавок, и свет и звук могут представлять собой совокупность несогласованных квантов (скажем, свет от лампочки) или согласованных волн (излучение лазера). Многие физики полагают, что это параллели позволяют создать звуковой лазер. В то время как в области низких частот (до 20 кГц) легко формировать как несогласованные, так и согласованные волны, это становится намного более трудным в области терагерцевых частот, которые характерны для фононного лазера. Проблемы возникают из того факта, что звук распространяется намного медленнее, чем свет, что означает, что длина волны звука намного короче, чем света при той же частоте. Взамен согласованных фононов микроструктуры, которые могут генерировать терагерцевый звук, излучают несогласованные фононы.

Исследователи из Калтеха преодолели эту проблему, собрав пару микроскопических резонаторов, которые могут излучать только определенные частоты. Систему можно регулировать для излучения разных частот, изменяя относительное расположение микрорезонаторов.

Группа из Ноттингемского университета в Объединенном Королевстве пошла другим путем. В их устройстве электроны двигаются через серию структур, известных как квантовые ямы. При переходе электрона из одной квантовой ямы в другую, он излучает фонон. До настоящего времени ноттингемская группа не продемонстрировала реальное фононное излучение, но их система усиливает высокочастотный звук способом, который, предположительно, мог бы стать ключевым компонентом в будущих фононных лазерах.

Вне зависимости от подхода последние разработки являются существенным шагом на пути к созданию практического фононного лазера.

Кошка может распознавать лицо быстрее и эффективнее, чем суперкомпьютер. Это одна из причин, что мозг кошачьих стал моделью для инспирированного биологией компьютерного проекта в Мичиганском университете (U-M).

Компьютерный инженер Вэй Лу (Wei Lu) продвинулся на пути разработки такой машины революционного типа, которая могла бы обучаться и распознавать, а также принимать более сложные решения и выполнять одновременно больше задач, чем традиционные компьютеры.

Сначала Лу построил «мемристор», устройство, которое заменяет традиционный транзистор и действует подобно синапсу, запоминая предыдущие возбуждения. Далее он продемонстрировал, что этот мемристор может соединять обычные цепи и поддерживать процесс, который является базовым для для запоминания и обучения в биологических системах.

«Мы строим компьютер таким же способом, которым природа строит мозг, - говорит Лу. – Идея заключается в том, чтобы использовать полностью отличную от обычных компьютеров парадигму. Мозг кошки представляет реальную цель, поскольку он намного проще, чем мозг человека, но все же крайне труден для репликации его сложности и эффективности».

Современные наиболее мощные суперкомпьютеры могут выполнять определенные задачи с функциональностью мозга кошки, но это массивные машины с более чем 140 000 ЦП и выделенным источником питания. И они все же работают в 83 раза медленнее кошачьего мозга.

В мозге млекопитающих нейроны соединяются друг с другом посредством синапсов, которые действуют как реконфигурируемые коммутаторы и могут объединять в сеть тысячи нейронов.

«В обычном компьютере логический блок и память имеют разные цепи, и каждый вычислительный блок соединяется с небольшим количеством соседей по цепи. Как результат, обычные компьютеры выполняют код в линейной последовательности, строка за строкой, - объясняет Лу в своей статье (просьба не обсуждать этот пассаж в комментариях – это авторское понимание, - прим. ред.). – Этого достаточно для выполнения относительно простых задач с небольшим числом переменных».

Но мозг может одновременно выполнять много операций. Это объясняет, в частности, почему мы мгновенно узнаем лица.

К настоящему времени Лу соединил две электронные цепи с помощью одного мемристора. Он продемонстрировал, что такая система способна к процессу обучения и запоминания, который называется синаптическая пластичность, зависящая от момента времени импульса (spike-timing dependent plasticity). Этот тип пластичности отвечает за способность связей между нейронами становиться сильнее в зависимости от того, когда они были возбуждены по отношению друг к другу. Считается, что именно это свойство отвечает за запоминание и обучение в мозге млекопитающих.

«Мы показали, что выбирая время приложения напряжения можно постепенно увеличивать или уменьшать электропроводность в этой мемнисторной системе. В нашем мозге подобные изменения в проводимости синапсов влияют на долговременную память», - говорит Лу.

Электронный аналог кошачьего мозга мог бы обладать интеллектом кошки. К примеру, если поставить задачу отыскания кратчайшего пути от двери к дивану в заставленной мебелью комнате, и компьютер знает только форму дивана, то обычная машина может ее решить. Но если вы передвинули диван, он не учтет этого изменения и будет искать новый путь. Инженеры надеются, что компьютер с кошачьим интеллектом будет способен справиться с этой задачей лучше.

Остается добавить, что проект финансируется агентством DARPA, которого диваны как таковые не интересуют.

Использование германия взамен кремния как основного материала в полупроводниковой индустрии может привести к более быстрым чипам и меньшим транзисторам. Однако для этого необходимо решить ряд проблем.

Германий и некоторые другие полупроводники позволяют получить более высокие скорости переключения, чем кремний. Германий привлекает, в частности, тем, что он может легко вписаться в существующие технологические процессы. Интересно, что германий служил базовым материалом для транзисторов первого поколения, прежде чем он был заменен в конце 60-х кремнием. Это случилось благодаря исключительным электронным свойствам границы раздела между кремнием и изолирующим его окислом. Однако это преимущество не может использоваться, если размеры транзистора уменьшаются, поскольку окисел должен быть заменен диэлектриком с высокой диэлектрической постоянной. Это стимулировало науку и индустрию искать более подходящий исходный материал.

Вводя атомы примеси, можно изменять проводимость полупроводника. Одним из методов является имплантация ионов с последующей термической обработкой (отжигом). Отжиг кристалла германия необходим, поскольку материал повреждается во время легирования. Хотя эти методы позволяют производить p-канальные МОП-транзисторы в соответствие с требуемыми технологическими нормами (22 нм), однако они не позволяют получить n-канальный транзистор. Это происходит из-за сильной пространственной диффузии атомов фосфора, которые используются для создания области с положительными носителями.

Физики из исследовательского центра Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) применили специальный метод отжига без диффузии атомов фосфора, который позволяет восстанавливать кристалл германия и сохранить хорошие электрические свойства. Образцы германия нагревались короткими импульсами света длительностью всего несколько миллисекунд. Этого оказалось достаточно, чтобы восстановить качество кристалла и достичь электрической активации фосфора, избежав их перераспределения. Световые импульсы генерировались импульсной лампой, которая была разработана в исследовательском центре FZD.

Согласно блогу, опубликованному в пятницу старшим техническим менеджером продукта Дэном Реджером (Dan Reger) на Windows Server Division Weblog, Microsoft заканчивает свою поддержку процессора Intel Itanium с последней версией ее Windows Server OS.

«Windows Server 2008 R2 будет последней версией Windows Server, которая поддержит архитектуру Intel Itanium, - написал он. – SQL Server 2008 R2 и Visual Studio 2010 являются также последними версиями для этого процессора».

Новости не очень радостные для Intel, которая стремится расширить использование 64-разрядных процессоров Itanium на рынке серверов. Компания выпустила последнюю четырехъядерную версию Itanium в феврале после нескольких задержек. К тому времени Red Hat уже в январе объявила, что она не будет поддерживать Itanium со следующим выпуском дистрибутива ОС Linux.

Аналитик Ник Симпсон (Nik Simpson) из Burton Group сказал, что это не было совпадением с выпуском Intel линейки новых мощных многоядерных Xeon 7500, которые обеспечивают высокий уровень надежности, предоставляемый ранее Itanium. «Для Microsoft надежность была единственной привлекательной особенностью Itanium, поскольку число лицензий Windows, проданных для Itanium незначительно по сравнению с бизнесом систем x64. Таким образом решение исключить Itanium было, вероятно, относительно легким», - написал Симпсон в своем блоге.

Реджер из Microsoft сказал почти то же. «Естественное развитие 64-разрядной архитектуры x86 (x64) привело к созданию процессоров и серверов, которые обеспечивают масштабируемость и надежность необходимую для решения сегодняшних критических задач», - написал он.

Microsoft продолжит оказывать основную поддержку для Itanium-систем до июля 2013 г. и расширенную до июля 2018 г. в соответствии со своей стандартной политикой.

Intel недавно подтвердила поставку еще по крайней мере двух поколений Itanium в течение следующих четырех лет. HP, которая сделала ставку на Itanium, когда отказалась от развития своего собственного процессора PA-RISC, неоднократно говорила, что связывает свое будущее с Itanium.

Решение Microsoft дало старт новому раунду вопросов о перспективах платформы.

Как заметил Симпсон, для Itanium решение Microsoft является «плохим, но не пагубным, по крайней мере, пока. Большинство процессоров Itanium продается с серверами, работающими на HP-UX. Но скоро останется только горстка ОС для Itanium, на которые предприятия могут опереться. Она включает Novell SuSE Enterprise Linux (SEL), Groupe Bull GCOS и HP HP-UX и OpenVMS».

«Из этих платформ только HP-UX и OpenVMS фактически требуют Itanium. GCOS и SEL обе поддерживают процессоры x64, что, вероятно, ускорит конец поддержки Itanium», - написал Симпсон.

Таким образом, HP, вероятно, будет последней, остающейся в бизнесе систем Itanium, но новые особенности и масштабируемость Xeon 75xx рождают вопрос, будет ли HP адаптировать свои аппаратные средства Itanium, чтобы поддержать Xeon 75xx и портировать HP-UX или OpenVMS на платформу x64?

Представитель Microsoft подтвердил, что сообщение в блоге компании точно.