Nanostructured materials: Belarus - Russia - Ukraine. Collection of Plenary Reports IV International scientific conference. Minsk. 7-10 October 2014. Pp.68-80. Plenary Talk Nanoclusters as superatoms and supermolecules http://physics.by/e107_files/public/nano2014_sbornik_tesdokladov.pdf A.M. Ilyanok1, I.A. Timoshchenko2 1 CC “Nanobiology”, Minsk, Belarus 2 Belarusian State University, Minsk, Belarus For the first time the opportunity of transfer functions of the human cerebral cortex in silicon neurochip of 10 cm^3 with 3D nanojet printer is shows. This is due to the fact that in the last 10 years a new direction in nanotechnology has appeared - the creation of organic and inorganic nanoclusters of certain size, called superatoms, which exhibit the unique properties of elementary atoms and can formally establish a new "periodic table". The development of an entirely new field of science opens the possibility to use cheaper isoelectronic analogues instead of expensive items. In 1998, we proposed an electronic model of superatoms of helium in orthophaze and paraphase. These superatoms are formed from metal oxides and semiconductors. On this base we developed a new class of single-electron devices with unique physical properties. For example, one can create a computer with 10^16 transactions per second while consuming only a few joules of energy, which is close to the thermodynamic limit 3,4∙10^20 operations/joule. The computer can be grown in a 3D topology by jet nanolithography. Neuroprocessor with performance close to the one of the human cortex takes volume of few cubic centimeters. To demonstrate the formation conditions of superatoms we have developed a new model of an electron with energy of 0.1-0.2 eV, namely «cold» ring electron with radius of 7.25 nm. From the standpoint of superatoms we can consider the physical and chemical properties of proteins like supermolecules formed from superatoms. For example, the protein tubulin which forms nerve fibers and nuclear scaffolds and cells shows unique physical properties. It forms nanotubes with a diameter of 14.5 nm. The developed technology of jet nanolithography allows us to grow inorganic artificial neurons, while watching their growth using the methods of nanophotonics. Back in 2005, we have patented scanning nanojet microscope, working in real time to monitor the living cell and its dynamics. In 2015 the Nobel Prize has been obtained for similar work on methods of fluorescence microscopy with a priority in 2006. However, the practical importance and potential of our development is much broader than that of the Nobel laureates. We can see at once to build nano-objects, but they only see, and not in real time. Proposed electronic model of superatoms greatly simplifies the task of atomic-molecular engineering. #nanoclusters #superatom #supermolecule #nanoelectronics #nanophotonics, #3D nanoprinter #jet nanolithography #neurocomputer #immortality #Nobel Prize

1. Нанокластеры как суператомы
и супермолекулы
А.М. Ильянок, И.А. Тимощенко
КЦ «Нанобиология», Минск, Беларусь
Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь
Наноструктурные материалы-2014:
Беларусь-Россия-Украина
Минск,
7-10 октября 2014 г. 1

2. Содержание
• 1. Введение
• 2. Квантоворазмерные модели кластеров
• 3. Применение суператомов и супермолекул для
создания нейрокомпьютера
• 4. Преимущества 3D нейрочипа
• 5. Принципы работы искусственных нейронов 3D
нейрочипа
• 6. Технологическая реализуемость создания 3D
нейрочипа
• 7. Струйная нанолитография – как 3D принтер
• 8. Заключение
2

3. Портал в третье измерение
Периодической системы Менделеева
The Castleman Group
The Pennsylvania State University
• Суператомы – кластеры, которые
проявляют не только достаточную
стабильность, но и свойства,
воспроизводящие химические
черты атомов Периодической
системы.
• Суператомы – «третье
измерение» периодической
системы Менделеева.
• Результат - дорогостоящие
элементы заменяются более
дешевыми изоэлектронными
аналогами.
Создание суператомов – новое направление в нанотехнологии
3

4. Ядерный кластер
238
92 U
2
15
5.63 10 м
K Br rπα
−
= =
= ⋅
Модель Ильянка
Атом водорода
1Br r v cα= =
Представим ядро атома
как ядерный кластер
Максимально
достижимый
размер
устойчивого
ядра
определяется
радиусом
«орбит»
K-электронов
атома урана
Расстояние rK определяет границу
между атто и фемто областями
4

5. Кольцевая модель электрона
3D электрон (эктор)
A.M. Ilyanok. Fundamental Atom-Molecular Engineering. Part 1. Model of Electron.
viXra:1403.0041 (2014)
2 2
, xv c v cϕ α α= <
B
rr 1−
=α
Кольцевая модель электрона
(эктор)
Сегментированное электромагнитное
поле электрона, формирующее его
электромагнитную массу emα
Модель позволяет описать размер, массу, заряд,
электромагнитную массу, спин, магнитный
момент, лептонный заряд электрона
5

6. Электронный кластер – суперэктор
Электронный кластер диаметром 50 мкм
из миллиарда электронов
Магнитное поле кольцевых электронов
позволяет им объединяться в цепочки
из пар электронов в орто или пара фазе.
Они могут образовывать замкнутые
устойчивые структуры в виде
электронного кластера (суперэктор)
В разомкнутом виде электронный
кластер образует лево или право
вращающиеся цепочки, которые
наблюдаются в виде вихревых
пучков «торнадо»
Электронное торнадо
P. Schattschneider, et.al. Phys.Rev. Lett.
110, 093601 (2013)
6

7. Модель суператомов/супермолекул
Суператом в виде транзистора как электронной ловушки со строго заданным
размером и энергией потенциальной ямы для одного или двух электронов
Транзистор на «холодном» электроне
(SCET), являющийся суператомом с двумя
спаренными электронами в парафазе
Спаренные
электроны
в парафазе
Супермолекула
с цепочкой
из спаренных
электронов
Строение микротрубочки тубулина,
которая представляет собой суператом,
формирующий супермолекулы аксонов
7

8. Характерный размер 7.25 нм – предел закона
Мура для «холодных» электронов
/ 2 861α π ≈
• Кольцевой электрон - двухмерный
объект, движущийся в трехмерном
пространстве конденсированного
вещества
• Сечение его взаимодействия с
веществом уменьшается минимум в
раз
Если энергия электрона больше чем 0.2эВ
(теплый электрон), электронное кольцо
начинает сворачиваться в тор меньшего
размера и становится трехмерным объектом
Предельные параметры интегральных схем, основанных на квантово размерных
электронных устройствах, определяются диаметром «холодного» электрона,
для свободного движения которого необходимо создать электроды шириной не
менее чем 14.5 нм и с расстоянием между ними не менее чем 7.25 нм
8

9. Характерный размер 7.25 нм – предел закона
Мура для «холодных» электронов
A. M. Ilyanok. Quantum-size electronic devices
and operating conditions thereof (102 claims),
US Patent No 6,570,224 B1 (1998).
А.М. Ильянок. «Квантовые электронные
устройства и режимы их работы».
Евразийский патент № 003164
При расстоянии между
электродами менее 7.25 нм
начинается туннелирование
кольцевых электронов.
2 2 221
2 ( ) 1.16 10 Джe eeU m cα α −
= = ⋅
0.09928 ВeU =
Рабочее напряжение устройства с кольцевым электроном
составляет только 0.1 – 0.3 В
Граничная частота работы
3
11
3.5037 10 Гц
2 B
c
f
r
α
π
≤ = ⋅
Это соответствует
Вращательная кинетическая
энергия электронного кольца
9

10. Проект
«3D нейрочип»
«Бессмертие»
Применение
суператомов и
супермолекул
для создания
нейрокомпьютера
10

11. Проблема «быть или не быть» встает
перед человеком уже в новом качестве.
Люди, являясь естественным фрагментом общего
эволюционного процесса, не являются его конечным
звеном. Эволюция может и должна идти дальше, и
каким образом это произойдет, зависит от нас
Путь к бессмертию - перенос недолговечного биологического
разума в кремниевый разум с временем жизни в миллион лет
Трансгуманизм ставит вопросы об изменении в
положении человека с помощью передовых
технологий с целью
• ликвидации страдания,
• ликвидации старения человека и смерти,
• усиления физических, умственных и
психологических возможностей человека,
Трансгуманизм не показывает пути
технического решения
11

12. Три пути
Регенерационная
медицина
Искусственное
тело
Цифровой мозг –
3D нейрочипы
12

13. Цифровой мозг
Эволюция интеллектуальных способностей
человека достигла своего физического предела.
Работа мозга схожа с функционированием
компьютерного процессора.
Только оцифровка мозга человека позволит
жить вечно.
Несмотря на то, что сам мозг умирает,
вся информация, которую он накопил
в течение жизни будет сохраняться.
Наше время
истекло
13

14. Электронный мозг, разработки США
В 2009 г. Национальный Институт Здоровья США начал
проект «Коннектом Человека» по описанию структуры
связей в нервной системе человека
• Мозг человека насчитывает в себе около 100
миллиардов нервных клеток и в 10 000 раз больше
соединений.
• В коре головного мозга человека - 10 миллиардов
нейронов
• Каждый нейрон имеет в среднем 10 тысяч
аксонных связей, заканчива-ющихся синапсами
• Каждый синапс имеет тысячу ионных каналов, в
них формируются логические операции с
памятью.
• Тактовая частота - 100 возбуждений за 1 секунду.
Создание полного аналога коры человеческого
мозга возможно только в 3D топологии.
14

15. Планарная 2D наноэлектроника
Нейрокомпьютеры фон неймановского
типа с экзафлопсной
производительностью имеют:
• Огромные размеры
• Энергопотребление сравнимо с
энергопотреблением небольшого
города – 100-500МВт
• Время непрерывной работы –
несколько часов
• Стоимость – не менее 1 миллиарда
дол. США
15
Решить задачу создания цифрового мозга сегодня пытаются по
технологиям планарной 2D наноэлектроники.

16. 2D нейрочипы
Переход от процессоров фон неймановского типа к
нейросетевым по 2D топологии уменьшает размеры,
мощность потребления и стоимость лишь в 10-100 раз.
16
Самообучающийся чип имеет
аналог 256 нейронов и 65536
синапсов
Чип содержит 262144
программируемых синапса
Передовые достижения IBM в области создания 2D нейрочипов –
кремниевого воплощения работы головного мозга живых существ.
Эти технологии не решают проблему создания цифрового мозга
индивидуального человека, не дают возможности массового
использования в робототехнике.

17. Создание 3D нейрочипа
Изготовление
многослойных (более 100
слоев) элементов на
основе существующих
параллельных методов
литографии невозможно.
17
Необходимо перейти на 3D топологию с 10 тысячами слоев,
при общем количестве логических элементов 10^16
Объем и энергопотребление уменьшается в
10 миллионов раз.
Создание полного аналога коры человеческого мозга
возможно только в 3D топологии.

18. Принципы работы искусственных нейронов
3D нейрочипа
A. M. Ilyanok. Quantum-size electronic devices
and operating conditions thereof (102 claims),
US Patent No 6,570,224 B1 (1998).
А.М. Ильянок. «Квантовые электронные
устройства и режимы их работы».
Евразийский патент № 003164
От движения ионов в живых клетках
к движению «холодных» электронов
в искусственных супермолекулах
Из суператомов и супермолекул
можно создать искусственные
нейронные логические элементы,
размеры которых на 2-3 порядка
меньше размеров клеток мозга.
Наноразмерные кластеры допускают
трехмерное соединение с
непосредственным контактированием
между ячейками. Это позволит создать
параллельные матричные
вычислительные структуры с большой
степенью разветвления. 18

19. Сравнительный анализ развития
нейротехнологий до 2020
Параметры Кора головного
мозга человека
(наноионика)
3D нейрочип
Нейро-компьютер
на квантоворазмерных
эффектах
(спинтроника)
Нейрокомпьютер
фон неймановского
типа Blue Gene
(токовая
наноэлектроника)
1
Вид управления
сигналами
управление
отдельными ионами
одноэлектронный
режим управления
зарядом
управление током
электронов
2 Тактовая частота, Гц 100 2·104 1010
3
Время непре-
рывной работы
100 лет
деградация серого
вещества порядка
0.9% в год
более 100 лет
деградация за
счет диффузии
кластеров в материал
подложки в зависимости
от температуры
2-3% оборудования
подлежат замене в
течение года
4 Объем, см3
600
объем всего мозга –
1400
10
108
5
Потребляемая
мощность, Вт 10
100 107
19

20. Сравнительный анализ развития
нейротехнологий до 2020
Параметры Кора головного
мозга человека
(наноионика)
3D нейрочип
Нейро-компьютер
на квантоворазмерных
эффектах
(спинтроника)
Нейрокомпьютер
фон неймановского
типа Blue Gene
(токовая
наноэлектроника)
6
Количество
логических
элементов
1.5·1017
(1.5· 1010 нейронов,
104 синапсов
(межнейронных
связей), 103 ионных
каналов на синапс)
1.5·1016
это эквивалентно коре
мозга без 10 кратного
дублирования
4.4·1023
(880 тысяч 32 разрядных
процессоров по 5·108
логических элементов и
109 ячеек операционной
памяти)
7
Размер логических
элементов, мкм
10-120
нейрон
0.03
сферический логический
элемент(резонатор)
0.05
планарный логический
вентиль или
динамическая ячейка
памяти
8
Скорость движения
носителей, м/с
10-4
движение ионов через
мембрану в синапсах
1.6 ·104
движение электрона
через сферический
резонатор
50
при длине канала
транзистора 5 нм и
времени переключения
0.1 нс
9
Скорость движения
сигнала в
проводниках, м/с
20
движение сигнала по
аксону
1.6 ·104
движение электрона по
нейролинии
(искусственный аксон)
3 ·108
движение сигнала по
металлическим шинам20

21. Сравнительный анализ развития
нейротехнологий до 2020
Параметры Кора головного
мозга человека
(наноионика)
3D нейрочип
Нейро-компьютер
на квантоворазмерных
эффектах
(спинтроника)
Нейрокомпьютер
фон неймановского
типа Blue Gene
(токовая
наноэлектроника)
10
Логический уровень
передачи сигнала, В
0.1 0.1 0.3-1.0
11
Количество
логических
операций на один
джоуль,
операций/Дж
1.5 ·1018
термодинамический
предел 3.2 ·10-20
джоуль/операцию
(2 заряда на 0.1 В)
3 ·1019
104 слоев размером 10см2 на
каждом слое 1.5 ·106 нейронов,
в каждом нейроне 107
логических элементов, с
частотой 2 ·104 Гц
1.75·1010
перспективные разработки
по программе «Ubiquitous
High-Performance
Computing»
12
Рабочая
температура, ˚С
37
-270 ÷ +300
в зависимости от
используемых материалов
(электронная орто или
парафаза)
-40 ÷ +50
13
Сохранение
информации при
выключенном
питании
в течение 5 мин
запоминает предыдущее
состояние
только в течение работы
бесперебойного источника
питания и перезаписи
информации на винчестер.
21

22. Преимущества 3D нейрочипа
• Увеличивается плотность упаковки логических элементов в 60 раз;
• Увеличивается быстродействие в 20 раз при одном и том же энергопотреблении, т.е.,
приходим к фундаментальному информационному термодинамическому пределу;
• При увеличении тактовой частоты до 20 кГц и потребляемой мощности 100 Вт 3D
нейрочип эквивалентен мозгу 200 человек;
• При уменьшении тактовой частоты до частоты работы мозга 100 Гц, энергопотребление
уменьшается в 20 раз – до 0.5 Вт, что позволяет осуществлять энергопитание 3D
нейрочипа от солнечных элементов;
• При выключении питания 3D нейрочип может «засыпать» на неопределенное время
без потребления энергии, при этом сохраняя предыдущую информацию без записи ее
на внешнюю память;
• Температурный диапазон 3D нейрочипа из неорганических материалов позволяет
работать как в космосе, так и в экстремальных температурах до 300˚С, при этом время
жизни устройства при низким температурах может достигать миллионов лет при
наличие защитных оболочек;
• Энергопотребление происходит только в момент переключения на фронтах
управляющих импульсов, далее заряд электронов сохраняется в специальных
резонансных ловушках.
От движения ионов в человеческом мозге к движению электронов в 3D нейрочипе
22

23. Преимущества при переходе от токового режима в логических
элементах суперкомпьютеров и нейрокомпьютеров на кремниевых
технологиях к одноэлектронному режиму в 3D нейрочипе
• Уменьшение энергопотребление на одну логическую операцию примерно на 9
порядков за счет потребления энергии только в момент переключения. В современных
компьютерах через логический вентиль постоянно течет ток во включенном режиме и
ток утечки в выключенном режиме;
• Переход на 3D топологию с 10 тысячами слоем уменьшает длину соединительных шин
до нескольких мкм при общем количестве логических элементов 1016 , в результате
объем, занимаемый устройством, уменьшается примерно на 7 порядков.
Одновременно увеличивается надежность, так как нет различных разъемов;
• Потребляемая мощность уменьшается на 5 порядков;
• Диапазон рабочих температур расширяется от -40 ÷ +50˚С до -270 ÷ +300˚С за счет
отказа от использования узкозонных полупроводников типа кремния и переход на
широкозонные полупроводники и оксидные материалы с высокой температурой
деструкции. Нижний температурный предел не ограничен, так как используются
квантов-размерные эффекты для электронов;
• Увеличивается время непрерывной работы за счет уменьшения энергопотребления на
одну логическую операцию, так как уменьшается диффузия материалов логического
элемента под действием электрического поля и локальной температуры. Возрастает
надежность за счет использований нейроархитектуры – при выходе из строя
нейроэлемента устройство в целом не прекращает работу, в отличие от обычных
двоичных процессоров, уменьшается лишь точность вычислений. Отметим, что в
современных суперкомпьютерах из строя каждый год выходит 2-3% оборудования.
23

24. Технологическая реализуемость
создания 3D нейрочипа
• Уменьшить количество технологически операций и уменьшить количество топологических
слоев вплоть до 1 слоя.
• Уменьшить длину технологических маршрутов, что должно привести к уменьшению объема
сверхчистых помещений.
• Создать новый класс подложек, имеющих малую дефектность и атомарную шероховатость на
больших площадях.
• Совместить операции нанолитографии и контроля.
• Разработать новые способы нанолитографии.
• В элементной базе СБИС необходимо создать параллельные и нейросетевые методы
обработки информации, которые уменьшает чувствительность к дефектам отдельных
элементов процессора/процессоров.
• Упростить контрольные тестеры за счет процессоров с самообучающимися функциями с
внутренним самоконтролем для выявления внутренних дефектов.
• Разработать дефекто-нечувствительные линии связи, например, аксоноподобного типа.
• Разработать активные элементы СБИС на основе низковольтных нанотранзисторов (0,1-0,3 В),
работающих в одно- и двухэлектронном режиме.
• Разработать двоичные логические элементы СБИС, позволяющие образовывать
функциональные связи в одном топологическом слое.
• Разработать логические нейроэлементы СБИС, позволяющие образовывать функциональные
связи в нескольких топологических слоях.
Мероприятия, необходимые для уменьшения себестоимости СБИС и увеличения
выхода годных
24

25. Струйная нанолитография –
как 3D принтер
А.М. Ильянок, И.А. Тимощенко. Сканирующий струйный нанолитограф и способ
его работы. Евразийский патент 012498, European patent 1 953 117 B1 (2005)
Конструкция сопла
25

26. Nobel Prize in Chemistry 2014
A.M. Ilyanok, I.A. Timoshchenko.
“Scanning nanojet microscope,
methods for operating thereof ”
EP1953763A1, EP1953763A4,
WO2007051275 A1
Priority : 2 November 2005 A.M. ILYANOK
Belarus
I.A. Timoshchenko
Belarus

27. Применение нейрокомпьютеров до точки
технологической сингулярности 2020
26
Первый этап
Создание простых и дешевых 3D
чипов нейрокомпьютеров по
сложности, аналогичных мозгу
насекомых, птиц и т.д.
Они незаменимы в областях,
предполагающих недостаток
информации в условиях
динамичной среды с высоким
уровнем шума:
космос, авиация, робототехника, пеленгация, энергетика,
обработка информации, автоматические системы
управления и коммуникация, медицина и статистика
BAE Systems, USA
КБ “ИНДЕЛА” Минск

28. Освоение космоса
27
Диапазон рабочих температур расширяется
до -270 до +300 градусов Цельсия
Время безотказной работы от тысячи до миллиона лет в зависимости от
внешних условий в виде высоких температур, агрессивной внешней среды и
радиации.
Скорость обработки информации в 200 раз выше, чем у человека
При отключении питании цифровой мозг «засыпает», не теряя информации.
Начнем с Луны
После точки сингулярности
2020 можно начать освоение
космоса
высокоинтелектуальными
роботами на 3D нейрочипах

29. Прорывные сингулярные технологии –
единственная возможность совершить
настоящий рывок в повышении
конкурентоспособности реального
сектора экономики.
П.Г. Никитенко, А.М. Ильянок. Сингулярные технологии –
научное направление устойчивого ноосферного развития
Беларуси, России и других стран СНГ. Экономические и
социальные перемены: факты, тенденции, прогноз№
2 (32), (2014)]
28

30. Сверхразум
29
Консалтинг Центр “Нанобиология” - 2014
Создание
суперинтелекта
после 2020 года
позволит создать
сверхцивилизацию,
объединив
миллионы
и миллиарды
цифровых разумов
в сверхразум
с помощью сети
и выйти в
галактический
интернет

31. 31