纳米技术在计算机领域应用

背景与意义:随着微电子技术的发展和应用市场的开发，对IC的集成密度的要求越来越高，电子器件的小型化以指数率持续变小，特征尺寸从微米级到亚微米级再缩小至纳米级。纳米电子技术是传统电子7K技术发展的必然结果。以理论研究、器件设计、工艺开发和电路研制.为内容的纳米半导体学科的研究是当前纳米电子学发展的主旋律，有必要着重讨论其发展现状与趋势。

理论基础:纳米电子器件的应用与发展主要研究在电子、信息、智能系统中的应用。纳米电子器件在功能器件上的分类利用纳米结构中电子所呈现的各种量子化效应，可以设计和制作各种量子功能器件。电子在纳米结构中的行为表现为量子力学的波粒二重性,其表现波动性或粒子性取决于它所处的环境。从量子的状态特征考虑，可以把各种量子功能器件分为二大类，即单电子器件和量子波器件。

1.单电子器件

这类器件的电子处于点结构，而且其行为以粒子性为侧重。单电子器件的典型实例如单电子晶体管、单电子开关等。

2.量子波器件

这类器件中的电子处于相位相干结构中，其行为以波动性为主。这类器件包括量子线晶体管、量子干涉器件、谐振隧道二极管、晶体管等。

此外除了上述基于纳米半导体范畴的量子功能器件即半导体量子效应器件和单电子器件外，从广义上讲纳米器件还可包括基于分子电子学的分子电子器件,分子器件在原理和材料结构上都与半导体量子器件不同，而且更为"年轻"，它们包括分子电子开关、电化学分子器件等。

应用举例:

1.超高密度量子效应存储器

超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件，它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。但是有了制造纳米电子逻辑器件的能力后如何用这种器件组装成超高密度存储的量子效应存储器阵.列或芯片同样给纳米电子学研究者提出了新的挑战。

2.纳米计算机的“互连问题”

一台由数万亿的纳米电子元件以前所未有的密集度组装成纳米计算机注定需要巧妙的结构及合理整体布局，而整体结构问题中首当其冲需要解决的就是所谓的“互连问题”。换句话说就是计算结构中信息的输入"输出问题。纳米计算机要把海量信息存储在一-个很小的空间内并极快地使用和产生信息，需要有特殊的结构来控制和协调计算机的诸多元件，而纳米计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大量的连接。

3.纳米“分子电子器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境当前分子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速发展，利用这些技术建立一个能够完成纳米电子器件制备、操纵、设计与性能分析的模拟虚拟环境并使纳米技术研究人员获得 虚拟的体验已成为可能。但由于现有计算机的速度、分子力学与量子力学算法的效率等问题，目前建立这种迅速、敏感、精细的量子模拟虚拟环境还存在巨大困难。

结论:

美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为纳米技术的发展可能会经历五个阶段。

第一个阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计/制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。

第二个阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料其强度将达 到无机单晶材料的3000倍。

第三个阶段大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。要求有高级的计算机设计/制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。

第四个阶段纳米计算机将得以实现。这个阶段的市场规模将达到2000亿至1万亿美元。.

第五个阶段科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置市场规模将高达6万化美元