Наведемо короткі визначення основних понять:
· Дані - це деякі відомості.
· Інформація - це дані, які зменшують невизначеність нашого знання і які тому можна використовувати.
· Сигнали - це фізичні носії інформації.
· Одиниці виміру інформації: 1 біт (вказівка однієї можливості з двох - так / ні або 0/1), 1 байт = 8 біт, 1 Кбайт = 2 10 = 1024 байт, 1Мбайт = 1024 Кбайт, 1Гбайт = 1024 Мбайт і т. д.
Основними інформаційними процесами є збір, обробка, зберігання і передача інформації. У комп'ютерах для передачі інформації використовуються електричні сигнали (імпульси електричного струму), в лініях зв'язку для передачі інформації використовуються імпульси електричного струму, електромагнітні хвилі, в тому числі і світло (в волоконно-оптичних лініях зв'язку). Світлове випромінювання використовується в пристроях читання і запису компакт-дисків. Для зберігання інформації використовуються магнітні носії (диски, дискети). У всіх перерахованих процесах виключно важливу роль відіграють електрони - елементарні частинки з масою 9,110 × 10 -31 кг з зарядом -1,602 × 10 -19 Кл. Трохи маси електрона дозволяє дуже швидко міняти його стану, а наявність електричного заряду, а також власного магнітного моменту дозволяє використовувати для впливу на електрони різні електричні, магнітні поля, електромагнітне випромінювання. Власний магнітний момент електрона пов'язаний з так званим спіном (власним моментом) електрона. Частинки (електрони, атоми і т.д.) з магнітними моментами можна уподібнити магнітним стрільцям [16].
Характеристикою мікропроцесора є мінімально можливу відстань між електричними ланцюгами внутрішнього ядра процесора; чим менше це відстань, тим більше активних елементів можна розмістити на одиниці площі і тим вище швидкодія. Порівняно недавно процесори випускалися по 0,25, 0,18 і 0,13-мікронним технологій (рис. 1.5, табл. 1.2), в даний час використовується 90-нм технологія, починається їх випуск по 65-нм технології [24-26 ].
Мал. 1.5. Одноядерний процесор Celeron M (зліва) і двоядерний процесор Athlon 64 X2 (праворуч) [24]
Дослідження в області мініатюризації привели до створення досвідчених транзисторів за технологічними нормами 45, 32 і навіть 22 нм [23]. Починаючи приблизно з 0,25-мікронного техпроцесу фізичний розмір (довжина каналу) МОП-транзисторів виявляється, в силу особливостей способу виготовлення, менше, ніж технологічні норми виробництва. Так, для 0,13-мікронного техпроцесу транзистори мають довжину каналу всього близько 70 нм, в поточних 90-нм транзисторах довжина каналу 50 нм. У майбутніх транзисторах, виготовлених за нормами 65, 45, 32 і 22 нм, довжина каналу буде лише близько 30-35, 20-25, 15 і 10 нм. Однак існує фундаментальний межа сучасної мікроелектронної технології. Зі зменшенням розмірів транзисторів до декількох нанометрів (і зростанні частоти їх роботи), по-перше, пропорційно зменшується число електронів / дірок, задіяних в перенесенні струму, - аж до того, що на кожне перемикання КМОП-вентиля «доводиться» лише кілька десятків або сотень носіїв заряду, а по-друге, різко зростає роль квантових ефектів в нанотранзистори.
Одним з перспективних напрямків нанофізики є використання таких властивостей електрона, як власний момент (спін) і власний магнітний момент (робить електрон подібним магнітної стрілкою), для створення квантового комп'ютера, спинового польового транзистора і спінової пам'яті [27]. Для реалізації квантового комп'ютера передбачається використовувати так звані спінові кубіти (квантові біти). Спіновий кубіт може перебувати в двох стійких станах, "спін-вгору" і "спін-вниз", відповідних логічним "0" і "1". Основною частиною квантового комп'ютера, структура якого була запропонована Р.Фейнманом в 1968 р повинна включати квантовий регістр - набір деякого числа кубітів, квантовий процесор, який виконує послідовність квантових логічних операцій і пристрій для вимірювання стану кубітів для перекладу в результат, придатний для звичайного виведення [ 27]. Спіновий польовий транзистор SFET (Spin Field-Effect Transistor) передбачається створити на основі ефекту магниторезистивного тунелювання спинив через прошарок ізолятора, вміщену між шарами феромагнітного матеріалу. Для цього створюються нові матеріали - магнітні напівпровідники. Після налагодження їх промислового виробництва відразу зросте швидкодію, зменшиться енергоспоживання і тепловиділення побудованих на їх основі мікропроцесорів. Найперспективнішою і близькою до технічного втілення є спінова пам'ять. Спінтроніка дозволяє перейти від бітів (0 і 1 - два значення) до так званим фитам - фазовим числах, здатним приймати більший набір значень. Це дозволить збільшити щільність запису і створити сверхплотную, незалежну і надшвидкодіючих пам'ять.