42УДК 621.38
Бураев Дмитрий Андреевич Краско Елисей Сергеевич Старухин Алексей Вячеславович Buraev Dmitriy Andreevich Krasko Yelisey Sergeevich Starukhin Alexey Vyacheslavovich
Студенты Students
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ)
Bauman Moscow state technical University (BMSTU)
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
ON THE USE OF CARBON NANOTUBES FOR INFORMATION STORAGE
Аннотация, в статье рассмотрены актуальные вопросы в области применения углеродных нанотрубок в качестве устройств для хранения памяти. Рассмотрен технологический процесс изготовления чипов на основе углеродных нанотрубок, приведены их преимущества, заключающиеся в значительном приросте плотности хранения информации по сравнению с современными лучшими технологиями памяти. Авторами отмечено, что исследования в данной области приведут к появлению нового более совершенного стандарта памяти.
Abstract: The article deals with current issues in the field of application of carbon nanotubes as memory storage devices. The technological process of manufacturing chips based on carbon nanotubes is considered, their advantages are given, which consist in a significant increase in the density of information storage compared to the best modern memory technologies. The authors noted that research in this area will lead to the emergence of a new more advanced memory standard.
Ключевые слова, углеродные нанотрубки, информация, устройства для хранения информации, память, флэш-память, энергозависимая память.
Keywords: carbon nanotubes, information, storage devices, memory, flash memory, volatile memory.
Перспективы применения углеродных нанотрубок (УНТ) весьма широки и разнообразны. На современном этапе активно проводятся исследования в области применения УНТ в качестве основы для культивирования клеток, а также в роли каркасного материала при тканевой инженерии [1], для транспортировки лекарств в теле пациента в качестве катодов и электронных пушек [2], а также во многих других областях техники, в том числе по внедрению УНТ в устройства для хранения памяти.
Углеродные нанотрубки представляют собой пространственные структуры, состоящие из графеновых листов, свернутых в бесшовные полые цилиндры диаметром от 1 до 50 нанометров и длиной до нескольких микрон [3]. Чаще всего они ограничиваются с двух сторон полусферическими головками. Существуют как однослойные нанотрубки, включающие один лист графена, так и многослойные, состоящие из вставленных одна в другую однослойных, связанных между собой силами ван-дер-ваальсовскими силами [4].
Впервые многослойные УНТ были синтезированы в 1991 году японским физиком Сумио Иидзимой. Они выращивались на отрицательном конце углеродного электрода, используемого в дуговом разряде постоянного тока в сосуде, заполненном аргоном [5]. Однослойные УНТ были открыты Иидзимой и Тосинари в 1993 году в ходе синтеза углеродных нанокапсул, заполненных магнитными мелкодисперсными металлическими частицами ^е, Со, М) [6]. Уже тогда были замечены выдающиеся механические, электрические и оптические свойства этих новых структур. В настоящее время опубликованы тысячи статей, исследующих как фундаментальную основу уникальных свойств УНТ, так и возможность их применения на практике.
В настоящее время, в связи с высокими темпами роста объема данных, исследования технологий хранения информации являются одним из наиболее активно развивающихся направлений. При этом УНТ являются основой разработок устройств энергозависимой памяти. Ожидается, что данные устройства будут обладать относительной дешевизной и высокой скоростью чтения/записи, устойчивостью к воздействию температуры и магнитных полей [7], что позволяет считать использование УНТ очень перспективным в сфере энергозависимой памяти.
Дальше всех в разработках хранилища памяти на основе УНТ продвинулась американская компания «№Пего». Компания исследовала новую технологию хранения памяти NRAM (папо-ЯЛМ или энергонезависимая оперативная память на основе нанотрубок), основанную на использовании углеродных нанотрубок, смешанных с обычными полупроводниками. В ней углеродные нанотрубки являются элементами, содержащими память, при этом, из-за их небольшого размера достигается значительный прирост плотности (до 100 раз) по сравнению с современными лучшими технологиями памяти. В целом технология NRAM преодолевает ограничения других типов технологий памяти, в том числе традиционной флэш-памяти, и находится на пути к тому, чтобы стать новым стандартом памяти [8].
Рассмотрим технологический процесс изготовления таких чипов памяти:
приготовление нанотрубок - однослойные УНТ претерпевают ряд реакций, изменяющих их свойства, а также делающих трубки растворимыми в деионизированной воде. Затем готовят растворы углеродных нанотрубок и доводят их до целевых характеристик;
УНТ осаждаются на кремниевые пластины. Методы осаждения и метрологии, используемые для более традиционных литографических материалов (фоторезисты, антиотражающие покрытия), также могут быть использованы для углеродных нанотрубок;
остаточная влага впоследствии осаждается с помощью послепечатной обработки.
В полученном устройстве электронные контакты связываются системами углеродных нанотрубок. При пропускании электрического заряда по нижней подложке, группы УНТ, играющие роль битов памяти, поднимаются и опускаются, удерживаясь в стабильных состояниях ван-дер-ваальсовскими силами. Поднятое состояние нанотрубок представляет собой логический нуль, а
опущенное- логическую единицу. Так как при этом в движении участвует несколько десятков УНТ, это создает избыточность информации. Она считывается при помощи регистрации изменений электрического сопротивления нанотрубок в различных состояниях.
В настоящее время специалистами ««№П:его» уже создан работающий прототип массива NRAM. Компания сообщила об изготовлении и тестировании памяти на основе углеродных нанотрубок, произведенных по 22-нм технологическому процессу [7].
Сотрудники Гонконгского политехнического университета, физики Джаен Дай и Пуй-Фай Ли предложили аналог флэш-памяти с плавающим затвором, где вместо обычного слоя поликристаллического кремния в качестве запоминающего устройства используется массив нанотрубок, изолированных диэлектриками. Это придает установке относительно низкое рабочее напряжение, высокую надежность, высокую скорость записи-стирания и лучшую невосприимчивость к мягким ошибкам из-за квантового удержания и эффектов кулоновской блокады. Схема ячейки флэш-памяти, основанная на механизме туннелирования электронов с плавающим затвором изображена на рис.1. Основой устройства являются полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор) с истоком, стоком, затворная прокладка из кислорода и модифицированная затворная структура, состоящая из управляющего затвора и плавающего затвора, встроенных в диэлектрический материал, такой как диоксид кремния ^Ю2). Во время процесса записи прикладывается положительное напряжение затвора и электроны в области канала вынуждены туннелировать в плавающий затвор и храниться в плавающем затворе. Информация, хранящаяся в памяти плавающего затвора, может быть определена сдвигом порогового напряжения из-за наличия зарядов в плавающем затворе. Относительно низкое пороговое напряжение (без зарядов, хранящихся в плавающем затворе) может представлять логический нуль, а высокое пороговое напряжение (с зарядами, хранящимися в плавающем затворе) может использоваться для представления логической единицы.
^гттттттттттттттттттттттттгък
¿■р Управляющий затвор
|| ! :
ПлавающиГГзатвор ]: ■:!
..............Туннель...........
-ОК » . Сток
_/ \__
МОП
Рис.1 Принципиальная схема стандартной флэш-памяти
При слишком тонком туннельном оксидном слое информация в виде заряда будет теряться, а срок службы такой установки будет небольшим (до 5-8 лет). С увеличением толщины слоя надежность хранения памяти будет
увеличиваться, но при этом значительно снизиться скорость чтения/записи. Но в случае затвора, состоящего из УНТ, изолированных диэлектриками, увеличивается надежность и масштабируемость, поскольку единственный оксидный дефект не приводит к полной потере заряда (рис.2.).
Рис.2. Схема устройства флэш-памяти с плавающим затвором
на основе нанотрубок
Таким образом, активные исследования, проводимые по обнаружению наиболее практически целесообразного применения УНТ для хранения памяти, являются довольно перспективными экспериментами по внедрению наноструктур в сферу технологий. Новая технология NRAM не содержит ограничения других типов современных технологий памяти, в том числе традиционной флэш-памяти, и в скором будущем может стать новым стандартом памяти.
Библиографический список:
1. Бобринецкий И.И. Перспективы использования углеродных нанотрубок в качестве каркасного материала в инженерии биологических тканей // Гены и клетки. 2011.
2. Использование углеродных нанотрубок для доставки лекарств. [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://ms.sciences-world.com/using-carbon-nanotubes-22555 (дата обращения 08.01.2021).
3. Saito Y.1, Uemura S. Field emission from carbon nanotubes and its application to electron sources // Carbon. 2000. Т. 38. № 2. P. 169-182.
4. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства //Успехи физических наук. 2002. N. 4. С. 401- 438.
5. Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon //Nature. T. 354. 1991. P.
56-58.
6. Iijima, S. and Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter // Nature. T. 363. P. 603-605.
7. ПЛИС типа ППВМ: от 2D до. 3D. [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/plis-tipa-ppvm-ot-2d-k-3d/viewer (дата обращения 08.01.2021).
8. Development and characterization of carbon nanotube processes for NRAM technology. [Электронный ресурс]: Режим доступа:
https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/7970/797017/Development -and-characterization-of-carbon-nanotube-processes-for-NRAM-technology/10.1117/12.879142. short?SSO=1^ara обращения 08.01.2021).
УДК 65.011.56
Бурманов Семен Александрович, Финоженко Евгений Вячеславович Burmanov Semen Alexandrovich, Finozhenko Evgeny Vyacheslavovich
Студент Student
Новосибирский государственный технический университет
Novosibirsk State Technical University
СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ В СКЛАДСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ С ПРИМИНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ ROBOCVX-MOTION
WAREHOUSE AUTOMATION SYSTEM USING ROBOCVX-MOTION TECHNOLOGIES
Аннотация. В данной статьей приводится описание системы управления автоматического штабелера для складских помещений, разработанной при помощи RoboCV X-MOTION с целью повышения эффективности работы складов. В ходе работы была разработана и смоделирована система автоматизированного управления складом, сняты и описаны её характеристики.
Abstract: This article describes the automatic warehouse stacker control system developed with the RoboCV X-MOTION to improve warehouse efficiency. In the course of the work, an automated warehouse management system was developed and modelled, its characteristics were removed and described.
Ключевые слова. Груз, робот, склад, алгоритм.
Key words: Cargo, robot, warehouse, algorithm.
Компания RoboCVпредлагает линейку автопилотов, с помощью которых имеется возможность обеспечить полностью автономное движение различных типов транспорта, включая складскую технику, карьерные грузовики и автомобили в зонах, свободных от общего автомобильного трафика.
Основной продукт компании - линейка систем автопилотирования X-MOTION, созданная на базе технического зрения: датчиков бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) и ГЛОНАСС/GPS. Разработанные компанией алгоритмы построения карты окружающей среды и навигации по
