Гибкие материалы будущего

Гвоздем культового фантастического боевика «Тер­минатор: Судный день» является не столько робот-герой Арнольда Шварценеггера, сколько пра­ктически неразрушимый киборг T-1000, умеющий самовосстанавливаться в случае повреждения.

Строить настолько сложные машины мы пока не способны, однако уже приближаемся к будущему, в котором компьютеры смогут ремонтировать себя сами. Общая концепция пока отсутствует, но как это может выглядеть, сегодня демонстрируют нам научные исследования. В современных устройствах уже устанавливаются такие компоненты.

Например, мы привыкли к стеклу Corning Glass на смартфонах и планшетах, которое устойчиво к царапинам и ударам, однако не является самовосстанавливающимся, в отличие от материала нового смартфона G-­Flex от компании LG: его задняя крышка покрыта лаком с особым составом, который устраняет царапины словно по волшебству.

В зависимости от глубины царапина «зарастает» либо за минуты, либо за несколько часов.

Однако это лишь «первая ласточка» по сравнению с материалами более сложной структуры (например, в кабелях и аккумуляторах). Их самовосстановление — предмет современных исследований.

Разработчики ПО уже давно встраивают подобные программные функции в свои продукты — например, восстановление системы в ОС Windows. Однако это всего лишь вспомогательные инструменты: в современных ОС отсутствует функция самовосстановления.

Компьютеры, определяющие и устраняющие ошибки в системе, в данный момент находятся только в стадии разработки. Перво­очередной задачей при этом является восстановление поврежденных компонентов, таких как чипы, кабели и транзисторы. Здесь существуют многообещающие идеи, о которых мы расскажем ниже.

Чипы, которые больше не ломаются

Компьютерные чипы состоят из электрических линий, к которым подключены транзисторы — крошечные интегральные микросхемы. Самое маленькое повреждение (на­пример, расплавившаяся токопроводящая дорожка) уже делает чип непригодным.

Этому можно противодействовать с помощью двух стратегий: отремонтировать повреждение либо не использовать в работе неисправные компоненты. Вторую стратегию реализовали исследователи Калифорнийского технологического института (Cal­tech).

В качестве чипа для своей концепции самовосстановления они выбрали усилитель сигнала, состоящий примерно из 100 000 транзисторов, который используется в датчиках движения. Центром является ядро процессора «самовосстановления», в котором постоянно контролируется состояние чипа и его компонентов. На вход процессора поступают сигналы от нескольких датчиков, отслеживающих уровень сигнала, температуру и параметры энергопотребления.

Для исправления крупных повреждений требуются дополнительные компоненты: так, в чипе смонтировано два параллельно подключенных усилителя мощности. В случае неисправности и выхода компонента чипа из строя алгоритм распределяет задачи между неповрежденными компонентами.

Чип выполняет расчеты под лазерной «бомбардировкой»

Разработанный в Калифорнийском технологическом институте  (США) усилитель сигнала включает в себя ядро процессора, контролирующее все компоненты с помощью датчиков. В случае повреждения (в лабораторном тесте применялось облучение лазером) он изменяет алгоритм работы.

Микрокапсулы ремонтируют токопроводящие дорожки

В лаковое покрытие над электрической линией чипа внедрены микрокапсулы с жидким сплавом. При повреждении линии капсула раскрывается и устраняет повреждение.

Лечение теплом восстанавливает флеш-ячейки

Флеш-ячейки сохраняют электроны в плавающем затворе, однако при каждом сохранении изолирующий слой уменьшается. Выход из положения: при нагреве изолирующего слоя до температуры 800 °С посредством кратковременного импульса тока слой восстанавливается.

Материалы, которые «лечатся»

В настоящее время исследования самовосстанавливающихся материалов проводятся во многих областях, от медицины до авиации. И здесь многообещающие результаты показывают материалы на основе углерода (полимеры). Нанесенные в виде оболочки или слоя, они запечатывают разломы и трещины в других материалах и восстанавливаются сами.

Например, полимеры перемещают металлы в микрокапсулах к соответствующим местам повреждения, тем самым заделывая разрыв. Также материалы действуют в качестве «защитного экрана»: будучи разорванными вследствие внешнего воздействия на отдельные молекулы, самовосстанавливающиеся полимеры вновь объединяются благодаря либо водородным связям, либо ионному взаимодействию. Условие: молекулярные цепи в месте повреждения должны оставаться свободными для перемещения, а расстояние между ними не должно быть слишком велико.

Такие самовосстанавливающееся полимеры, как полиротаксан, уже несколько лет применяются для защиты поверхностей. Новейшим примером является смартфон G-Flex от компании LG. Гибкий корпус покрыт защитным слоем, маленькие царапины на котором, нанесенные, скажем, связкой ключей, исчезают в течение нескольких минут. Этот процесс стимулируется теплом, то есть потирание царапины пальцем способствует ее устранению.

О химии процесса компания LG умалчивает. Возможно, основу материала составляет полимер SERM Super Polymer A1000 японской компании Advanced Softmaterials. Он уже несколько лет входит в состав устойчивого к царапинам лаку, который компания Nissan использует для своих автомобилей.

Пластмасса устраняет царапины

Корпус смартфона G-Flex от LG покрыт полиротаксаном. Молекулы этого материала имеют подвижные «кольца», образующие цепочку. После возмущающих воздействий (А) они восстанавливают исходную форму (Б).

Неразрушимый полимер «Терминатор»

Новейшие полимеры соединяются при полном разрыве и не требуют каталитического воздействия в виде нагрева. Ученые Центра электрохимических технологий CIDETEC (Испания) разработали полимер «Терминатор», молекулярная структура которого удерживается благодаря дисульфидным связям. Этот полимер в сочетании с жидким сплавом индия и галлия, применяемым в качестве проводника, дает в итоге самовосстанавливающуюся токопроводящую линию.

Исследователи из университета Северной Каролины разработали свое решение: при рассечении кабеля происходит отверждение жидкого металла на концах. При стыковке концов кабеля полимер и металл соеди­няются так, как будто ничего не происходило.

Самовосстановление — отнюдь не самоцель: более эффективные аккумуляторы не прослужат дольше, если не встроить в них технологию «ремонта».

В литий-ионных элементах питания кремний превосходно подходил бы на роль материала основания для сохранения лития. Благодаря этому можно почти в десять раз увеличить емкость аккумулятора.

Однако объем анода из-за применения соединений лития и кремния (Li15Si4 или Li21Si5) при зарядке увеличивается втрое, а при разрядке уменьшается до стандартного размера. При этом в слое графита, в котором хранится материал, образуются трещины.

Так делаются неразрушаемые кабели

Для кабелей, самостоятельно «срастающихся» после повреждения, требуются новые материалы: оболочкой служит самовосстанавливающийся полимер, а проводник выполнен из жидкого металлического сплава.

Аноды для мощных аккумуляторов

Для мощных литий-ионных аккумуляторов литий должен соединяться с кремнием на графитовом аноде и осаждаться. Однако при этом объем анода увеличивается втрое и возникают трещины. Но если к графиту добавить полимер, он может частично заделывать их.

Программы, не выходящие из строя

Современные ОС базируются на принципах, которым по сути более 40 лет. Проще говоря, их программы состоят из последовательности команд, которые основываются друг на друге и выполняются поочередно. Подобная модель лишь частично может использовать мощности современных многоядерных процессоров.

Настолько же неэффективно дело обстоит и с вредоносным ПО: да, современные ОС оснащены механизмами безопасности, однако они начинают действовать лишь тогда, когда система уже повреждена.

Приложения со встроенной автоматической коррекцией работы требуют принципиально иного подхода. Так, Питер Бентли из Университетского колледжа Лондона берет в союзники природу. Он утверждает: «Естественные процессы являются децентрализованными, отказо­устойчивыми и обладают возможностью самовосстановления. Компьютер тоже должен это уметь».

По образцу природы

Системный компьютер (SC) ориентируется на естественные процессы восстановления. Подобно клеткам, каждая SC-программа состоит из множества малых систем, поэтому полный отказ практически невозможен. Кроме того, ошибки немедленно определяются благодаря нескольким механизмам.

Область действия. Для ряда систем определяется, какие значения должны принимать выходные данные.
Копия. Копии системы выполняют тот же расчет, что и оригинал (выделен серым цветом).
Система контроля. На основании области действия и расчета копии системы определяется правильность решений.

 

Программы, которые исключают ошибки

Принцип системного компьютера (Systemic Computing, SC) отвергает старую модель. SC-программа состоит из любого числа систем, которые соединяются между собой. Каждая система состоит из трех компонентов: двух входов данных и ядра, которое производит вычисления. Поэтому любую из них можно вновь использовать в роли входа данных для следующей системы.

В этом отношении SC-программа напоминает матрешку, содержащую в себе несколько своих подобий. Системы действуют, настолько это возможно, параллельно, так что полный отказ практически исключен.

Кроме того, существует несколько механизмов на случай ошибочного расчета: идентичные копии, которые механизм коррекции может принять или отвергнуть. Также могут быть определены области действия для систем.

Архитектура системного компьютера может применяться прежде всего в таких областях, как транспортные системы или космонавтика, где ошибки чреваты фатальными последствиями.

Несмотря на то что современные системы не совершают подобных ошибок, все равно мы не можем доверять им безоговорочно. Для наших компьютеров и маленькие успехи имеют смысл.

Нам нужны системы, которые определяют ошибки и устраняют их в режиме реального времени

— Майк Уокер

HP Sure Start, функция восстановления BIOS, представляет собой компонент, который закрывает существенный недостаток в современной архитектуре безопасности. В последнее время компания HP оснащает этой технологией свои продукты бизнес-серий, таких как EliteBook или ZBook. Ноутбуки HP хранят в памяти копию первоначальной BIOS и основную загрузочную запись (MBR).

Если оба центральных компонента системы повреждены, например, вредоносным ПО, они могут быть восстановлены с помощью резервных копий.

Другую проблему «атаковал» Брендан Айк, технический директор компании Mozilla: он хочет реализовать проверку источников для Firefox, браузера с открытым исходным кодом. Это должно исключить все манипуляции с кодом, например, разведывательными службами, такими как АНБ.

Правительство США также содействует разработке самовосстанавливающегося программного обеспечения. Агентство перспективных оборонных исследований при Министерстве обороны США (DARPA) в конце 2013 года организовало национальный конкурс Cyber Grand Challenge по разработке самовосстанавливающихся систем, которые должны выдерживать атаки вредоносного ПО. Не позднее, чем в последнем туре в 2016 году, система самовосстановления уже должна действовать в интегрированном варианте.