12 передовых электронных технологий, которые изменят завтрашний день

12 передовых электронных технологий, которые изменят завтрашний день

Как следует из названия, новые технологии — это те, чья разработка и практические применения ещё не полностью реализованы. Они представляют прогрессивное развитие в различных областях: от робототехники и искусственного интеллекта до когнитивной науки и нанотехнологий.

Ветвь электроники играет ключевую роль в обработке сигналов, обработке информации и телекоммуникациях. Она работает с электрическими схемами, включающими датчики, диоды, транзисторы и интегральные схемы. Простыми словами, это сложные электронные приборы и системы, такие как современные ноутбуки и смартфоны.

Первый тип транзистора был изобретён в 1947 году. С тех пор мы прошли огромный путь. Только в смартфоне, которым вы пользуетесь сегодня, содержится более миллиарда транзисторов.

Это лишь начало. Ещё много революционных устройств ждут своего изобретения. Давайте узнаем, что может принести будущее в области электроники.

12. Цифровая технология запахов

Устройство для передачи ароматов, представленное на CEATEC 2016

В области оlfакторных технологий ведётся множество исследований, позволяющих устройствам (или электронным носам) чувствовать, передавать и принимать запахи через аудио, видео и веб-страницы.

Первая система выделения запахов Smell-O-Vision была изобретена в конце 1950-х. Она способствовала выделению запахов во время проката фильма, усиливая впечатления зрителей.

С тех пор многие исследовательские центры создали похожие устройства. Одно из них — iSmell, разработанное в 1999 году. Оно содержало картридж с 128 запахами, из которых можно было создавать различные смеси. Однако из-за определённых ограничений продукт никогда не был запущен в коммерческое производство.

На CEATEC 2016 компания представила носимое устройство для запахов, управляемое через смартфоны и ПК. У неё ещё много препятствий: синхронизация и распределение запахов, риски для здоровья от синтетических ароматов.

11. Термический медный столбиковый бумп

Электрические и термические бумпы, интегрированные на одной подложке

Термический медный столбиковый бумп — это микроприбор термоэлектрического охлаждения, используемый для упаковки электроники и оптоэлектроники: лазерных диодов, полупроводниковых оптических усилителей, CPU и GPU.

Nextreme Thermal Solutions разработала эту технологию для интеграции активного термого управления на уровне чипа. Её используют гиганты вроде Intel и Amkor для подключения микропроцессоров и продвинутых чипов к различным поверхностям.

Когда ток проходит через печатную плату, термический бумп забирает тепло и переносит его к другому бумпу. Этот процесс известен как эффект Пельтье — так термический бумп помогает снижать нагрев электронных схем.

Он работает как твердотельный тепловой насос и добавляет функции термого управления на поверхности чипа. Современные термические бумпы имеют высоту около 20 мкм и диаметр 238 мкм. Технологии следующего поколения снизят высоту до 10 мкм.

10. Дисульфид молибдена

Дисульфид молибдена (MoS₂)

Дисульфид молибдена — неорганическое соединение, широко применяемое в электронике как сухая смазка благодаря низкому трению и износостойкости. Как кремний, это диамагнитный полупроводник с непрямой запрещённой зоной шириной 1,23 эВ.

Частицы дисульфида молибдена размером 1–100 микрометров используются в производстве эффективных транзисторов, фотодетекторов, двухтактных двигателей и карданных шарниров.

В 2017 году двумерный дисульфид молибдена послужил основой для 1-битного микропроцессора с 115 транзисторами. Также на его основе создали 3-терминальные мемтранзисторы. В ближайшие годы это соединение может стать основой для всех видов электронных гаджетов.

9. Электронные ткани (E-Textiles)

Электронные ткани (умная одежда) — это ткани со встроенными цифровыми компонентами и электроникой, дающими носителю дополнительную ценность. Существует множество применений, основанных на интеграции электроники в ткани, например, в технологиях интерьерного дизайна.

Эта технология считается революционной, так как способна делать то, чего не могут обычные ткани: проводить энергию, обмениваться данными, трансформироваться и расти.

Будущие применения умной одежды: мониторинг здоровья, отслеживание солдат и пилотов. Персональный и портативный физиологический мониторинг, связь, нагрев и освещение — всё это выиграет от внедрения такой технологии.

8. Спинтроника

Спинтроника (спиновые электроника) изучает внутренний спин электрона и связанный с ним магнитный момент в физике твёрдого тела. Она принципиально отличается от классической электроники: помимо заряда используются спины электронов, увеличивая степень свободы.

Спинтронные системы эффективно хранят и передают данные. Особого интереса они представляют для нейроморфных и квантовых вычислений.

Технология также применяется в медицине (для выявления рака) и несет большие перспективы для цифровой электроники.

7. Наноэлектромеханические системы (NEMS)

Электронный микрограф NEMS, изготовленный из монокристаллического кремния | Credit: H. G. Craighead

Наноэлектромеханические системы интегрируют наноэлектронные элементы с механическими машинами, образуя физические и химические датчики. Они являются логическим следующим шагом миниатюризации после микроэлектромеханических систем (MEMS).

Они обладают удивительными свойствами, открывающими путь к применениям: от ультравысокочастотных резонаторов до химических и биологических датчиков. Ключевые атрибуты NEMS:

• Фундаментальные частоты в микроволновом диапазоне
• Активная масса в фемтограммах
• Массовая чувствительность до аттограмм и субаттограмм
• Силовая чувствительность на уровне аттоньютонов
• Потребление энергии порядка 10 аттоватт
• Экстремально высокий уровень интеграции — до триллиона элементов на см²

Читайте также: NEMS — Наноэлектромеханические системы | Простой обзор

6. Молекулярная электроника

Иллюстрация одномолекулярного устройства

Молекулярная электроника использует молекулы как основные строительные блоки электронных схем. Это междисциплинарная область на стыке материаловедения, химии и физики.

Технология позволит создавать гораздо более мелкие электронные цепи (в наномасштабе), чем это возможно с традиционными полупроводниками вроде кремния. В таких устройствах движение электронов подчиняется квантовой механике.

Хотя целые схемы, состоящие исключительно из молекулярных элементов, ещё далеки от реализации, растущий спрос на вычислительную мощность и ограничения современных литографических методов делают этот переход неизбежным.

Учёные работают над молекулами с уникальными характеристиками для достижения воспроизводимых и надёжных контактов между молекулярными сегментами и объёмным материалом электродов.

5. Электронный нос

Электронный нос определяет компоненты запаха и анализирует его химический состав. Он содержит механизм химического обнаружения: массив электронных датчиков и инструменты ИИ для распознавания образов.

Такие устройства существуют более двух десятилетий, но обычно они дорогие и громоздкие. Исследователи стремятся сделать их дешевле, компактнее и чувствительнее.

Приборы электронного носа используют исследовательские центры, производственные отделы и лаборатории качества для обнаружения загрязнений, порчи и подделок. Также — в медицинской диагностике, выявлении утечек газа и загрязнителей для экологического мониторинга.

Читайте: Самая мощная биосенсорная система на меди и оксиде графена

4. 3D-биометрия

Использование биометрических данных растёт год за годом, особенно в банковской сфере, криминалистике и общественной безопасности. Большинство систем биометрического распознавания используют двухмерные изображения.

Однако за последние годы разработаны продвинутые биометрические техники: 3D-распознавание отпечатков пальцев, ладони, уха и лица.

Будь то для взаимодействия человек-компьютер или усиления безопасности — надёжная биометрия найдёт широкое применение.

3. Электронная кожа и язык

Электронный язык для дегустации вина | Credit: Kenny McMahon / Washington State University

Растяжимые, гибкие и самоисцеляющие материалы, имитирующие свойства кожи животных или человека, называются электронной кожей. Существует широкий спектр материалов, реагирующих на изменения давления и тепла, способных измерять информацию через физическое взаимодействие.

Эти материалы открывают двери к полезным применениям: протезирование, мягкая робототехника, мониторинг здоровья, искусственный интеллект. Будущие дизайны электронной кожи будут включать материалы с высокой механической прочностью, улучшенной чувствительностью, перерабатываемостью и самоисцелением.

Электронный язык измеряет и сравнивает вкусы. Он содержит множество датчиков, каждый с разным спектром реакции, способных обнаруживать органические и неорганические соединения.

Применение электронных языков: пищевая и напиточная промышленность, фармацевтика, бенчмаркинг продуктов, экологический мониторинг.

Читайте: 14 необычных применений нанотехнологий | Преимущества и применение

2. Мемристор

Концепция мемристоров предложил в 1971 году американский электроинженер Леон Чуа. Он предположил возможность существования дополнительного нелинейного цепного элемента, связывающего магнитный поток и заряд.

Любая электронная схема состоит из пассивных компонентов: катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов. Четвёртый компонент — мемристор — полупроводник для создания энергоэффективных устройств хранения.

Мемристор регулирует ток в цепи, запоминая количество заряда, ранее протекшего через него. Мемристоры — невиolatильные компоненты с очень высокой ёмкостью и скоростью.

Патенты на мемристоры охватывают обработку сигналов, мозг-компьютерные интерфейсы, переконфигурируемые вычисления, программируемую логику и нейронные сети. В будущем они смогут выполнять цифровую логику вместо элементов И-НЕ.

1. Гибкие дисплеи

Royole: сверхтонкий гибкий дисплей | Image Credit: Paul Sawers / VentureBeat

Многие производители потребительской электроники проявляют интерес к гибким дисплеям: они работают над применением этой технологии в смартфонах и планшетах.

OLED на гибкой подложке (металл, пластик или стекло) — один из самых перспективных типов электронных визуальных дисплеев, которые можно изгибать. Металлические и стеклянные панели в гибких OLED очень тонкие, лёгкие, прочные и практически неразрушимые.

На CES 2018 LG представила прототип 65-дюймового 4K OLED-дисплея, который можно намотать в рулон. Телевизор разворачивается при нажатии кнопки и убирается из виду, когда не нужен.

В сентябре 2019 года Samsung выпустила новый складной смартфон, работающий и как планшет, и как телефон.

Читайте: 9 законов технологий, изменивших мир

Текущие складные устройства имеют много недостатков и слишком дороги. Большинство из них — концепты для ранних последователей, а не массовый рынок. Но ясно: гибкие дисплеи эволюционируют во что-то принципиально иное, что может привести к удивительным прорывам во всей технологической индустрии.