Журнал: Том 31, № 2, 2026
Сторінки: 97 – 108
DOI: https://doi.org/10.62660/bcstu/2.2026.97
190 Переглядів

Фізичні аспекти ІТ-індустрії: від програмних архітектур до кіберфізичних систем

Тарас Ляшук
Отримано 01.12.2025
Доопрацьовано 30.03.2026
Прийнято 18.05.2026
Опубліковано 26.06.2026

Анотація

Функціонування сучасних обчислювальних систем базується на складному взаємозв’язку апаратного забезпечення та прикладних фізичних явищ. Актуальність дослідження визначається фундаментальною залежністю технологічних інновацій в ІТ-індустрії від законів фізики, які водночас визначають як межі (наприклад, квантове тунелювання в нанометрових транзисторах), так і нові можливості (наприклад, квантова суперпозиція у кубітах). Метою роботи було проаналізувати взаємозв’язок фундаментальних фізичних законів з апаратно-програмною архітектурою обчислювальних систем та визначати напрямки майбутнього розвитку. Методологія дослідження базувалася на системному підході, що включав контент-аналіз високоякісних наукових даних, структурно-функціональний аналіз фізичних кластерів та теоретичний синтез міждисциплінарних зв’язків, підкріплених логіко-графічним моделюванням. Основні результати дослідження виявили, що квантова механіка і термодинаміка задають фізичні межі для мініатюризації транзисторів та керують тепловим режимом мікросхем, а оптика є основою для високошвидкісної передачі даних і літографії мікрочипів. Класична механіка та електродинаміка забезпечують функціонування кіберфізичних систем, включаючи автоматизовані систем керування, роботизовані комплекси та інфраструктуру бездротового зв’язку. Проаналізовано, що молекулярна фізика та моделювання нанорозмірних структур відіграють вирішальну роль у проєктуванні нових напівпровідникових матеріалів і прогнозуванні довговічності компонентів на основі відповідних комп’ютерно-фізичних моделей. Показано, що ядерна та атомна фізика відіграють ключову роль у забезпеченні радіаційної стійкості електроніки і розглядаються як потенційне джерело живлення для високоавтономних обчислювальних комплексів. Особлива увага приділена перспективним напрямам, зокрема надпровідності, квантовим обчисленням та квантовій криптографії. Практична цінність роботи полягає у формуванні комплексного погляду на фізичні основи обчислювальних систем, що є критично важливим для комп’ютерних та програмних інженерів, науковців при розробці нових матеріалів, проєктуванні високопродуктивних і енергоефективних мікросхем, а також для створення надійних автономних та квантових обчислювальних систем

Ключові слова

комп’ютерна фізика; нанотехнології; комп’ютерне моделювання; планарна технологія; квантові обчислення; енергоефективність; цілісність сигналу

Використані джерела

  1. Ayso, E., & Kahveci, M. (2025). Impacts of relativistic effects on GNSS signal path and precise point positioning. Measurement Science and Technology, 36(6), article number 066318. doi: 10.1088/1361-6501/adddd3.
  2. Bairamkulov, R., & De Micheli, G. (2024). Superconductive electronics: A 25-year review. IEEE Circuits and Systems Magazine, 24(2), 16-33. doi: 10.1109/MCAS.2024.3376492.
  3. Bakshi, V., Mizoguchi, H., Liang, T., Grenville, A., & Benschop, J.P. (2017). Special section guest editorial: EUV lithography for the 3-nm node and beyond. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, 16(4), article number 041001. doi: 10.1117/1.JMM.16.4.041001.
  4. Basherlou, H.J., Parchin, N.O., & See, C.H. (2025). Antenna design and optimization for 5G, 6G, and IoT. Sensors, 25(5), article number 1494. doi: 10.3390/s25051494.
  5. Cai, Y., et al. (2020). Band structure, effective mass, and carrier mobility of few-layer h-AlN under layer and strain engineering. APL Materials, 8(2), article number 021107. doi: 10.1063/1.5139664.
  6. Camiola, V.D., Romano, V., & Vitanza, G. (2025). Quantum MEP hydrodynamical model for charge transport. Journal of Statistical Physics, 192, article number 20. doi: 10.1007/s10955-025-03395-z.
  7. Chen, G.S., Xu, J., & Hua, W. (2025). Nanoscale dynamics of air-bearing slider in computer hard disk drives. In Microsystem dynamics (pp. 99-176). Hoboken: John Wiley & Sons Ltd. doi: 10.1002/9781118848890.ch04.
  8. Chen, X.-K., Hu, X.-Y., Jia, P.-Z., & Xie, G.-F. (2022). First-principles determination of high thermal conductivity of PCF-graphene: A comparison with graphene. Applied Physics Letters, 121, article number 182205. doi: 10.1063/5.0123629.
  9. Cheng, B., Cao, M., Rao, R., Inani, A., Vande Voorde, P., & Greene, W.M. (1999). The impact of high-/spl kappa/ gate dielectrics and metal gate electrodes on sub-100 nm MOSFETs. IEEE Transactions on Electron Devices, 46(7), 1537-1544. doi: 10.1109/16.772508.
  10. de Aguiar, Y.Q., Wrobel, F., Autran, J.-L., & Alía, G.R. (2025). Introduction to single-event effects. In Single-event effects, from space to accelerator environments. Cham: Springer. doi: 10.1088/1361-6501/adddd3.
  11. Ezratty, O. (2023). Perspective on superconducting qubit quantum computing. The European Physical Journal A, 59(5), article number 94. doi: 10.1140/epja/s10050-023-01006-7.
  12. Gharaibeh, M.A., & Gharaibeh, B.M.Y. (2023). Analytical evaluation of solder stress in electronic packages subjected to random vibrations. Mathematical Modelling of Engineering Problems, 10(4), 1265-1270. doi: 10.18280/mmep.100419.
  13. Goel, N., Kunal, K., Kushwaha, A., & Kumar, M. (2023). Metal oxide semiconductors for gas sensing. Engineering Reports, 5(6), article number e12604. doi: 10.1002/eng2.12604.
  14. Hidalgo, M.A. (2022). Quantum hall effects in two-dimensional electron systems: A global approach. The European Physical Journal Plus, 137(1), article number 58. doi: 10.1140/epjp/s13360-021-02173-6.
  15. Huang, H.-L., Wu, D., Fan, F., & Zhu, X. (2020). Superconducting quantum computing: A Review. Science China Information Sciences, 63, article number 180501. doi: 10.1007/s11432-020-2881-9.
  16. Jin, H., Li, E., Yuan, W., & Li, L. (2004). Parallel FDTD computing for EMC simulation in hihg-speed electronics. International Journal of Computational Engineering Science, 5(3), 575-588. doi: 10.1142/S1465876304002575.
  17. Kadri, M.B., Khatri, S.A., & Yousuf, S. (2025). Trajectory tracking control of a planar robotic arm using inverse dynamics and fuzzy gain scheduling: Simulation and experimental validation. IEEE Access, 13, 186736-186759. doi: 10.1109/ACCESS.2025.3626418.
  18. Kalavathi, D. (2025). Modelling and optimisation of electromagnetic interference (EMI) in complex electronic system. International Journal on Science and Technology, 16(4), 1-10. doi: 10.71097/IJSAT.v16.i4.9770.
  19. Kehayias, P., et al. (2017). Solution nuclear magnetic resonance spectroscopy on a nanostructured diamond chip. Nature Communication, 8, article number 188. doi: 10.1038/s41467-017-00266-4.
  20. Kempe, V. (2011). Inertial MEMS: Principles and practice. Cambridge: Cambridge University Press. doi: 10.1017/ CBO9780511933899.
  21. Khodayari, Z., Karimi R., & Ghobadi, N. (2026). Computational design of sub-5 nm high-performance double-gate FETs based on two-dimensional Janus LiMSSe (M = Al, Ga, In) monolayers. Applied Surface Science, 716, article number 164730. doi: 10.1016/j.apsusc.2025.164730.
  22. Kim, H.-S., Kim, Y.-G., Jang, D.-M., Jang, J.-W., Lee, S.-Y., & Kim, H.-S. (2025). Prediction of fatigue life of semiconductor package under thermal cycling: Combined effect of package design and solder materials. Materials & Design, 254, article number 114059. doi: 10.1016/j.matdes.2025.114059.
  23. Kim, T.-H. (2017). Analysis of optical communications, fiber optics, sensors and laser applications. Journal of Machine and Computing, 3(2), 115-125. doi: 10.53759/7669/jmc202303012.
  24. Kleger, A., & Meunier, V. (2023). Density functional theory study of the structural, electronic, mechanical, and thermal properties of Hf6Ta2O17. Materials Today Communications, 34, article number 105065. doi: 10.1016/j. mtcomm.2022.105065.
  25. Kumari, P. (2024). Quantum tunneling effects in ultra-scaled MOSFETs: A theoretical perspective on device miniaturization limits. International Journal of Physics and Applications, 6(1(B)), 139-143. doi: 10.33545/26647575.2024.v6.i1b.153.
  26. Lütkenhaus, N. (2019). Theory of quantum key distribution (QKD). In D. Bruß & G. Leuchs (Eds.), Quantum information: From foundations to quantum technology applications (pp. 353-367). Hoboken: John Wiley & Sons Ltd. doi: 10.1002/9783527805785.ch16.
  27. Ma, Z. (2025). Traditional and emerging memory technologies: Principles, applications and future trends. In Proceedings of the 2025 international conference on electronic and electrical information communications (EEIC 2025) (pp. 439-452). Amsterdam: Atlantis Press. doi: 10.2991/978-94-6463-864-6_41.
  28. Martin-Bragado, I., Tian, S.K., Johnson, M., Castrillo, P., Pinacho, R., Rubio, J., & Jaraiz M. (2006). Modeling charged defects, dopant diffusion and activation mechanisms for TCAD simulations using kinetic Monte Carlo. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 253(1-2), 63-67. doi: 10.1016/j.nimb.2006.10.035.
  29. Mohammed, N.M., El-Maghlany, W.M., Elhelw, M., & Abdelaziz, A.H. (2025). Performance improvement of high-density data center via two-phase liquid immersion cooling. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 150, 2907-2924. doi: 10.1007/s10973-025-14006-0.
  30. Morales, M.A., Henry, T.C., & Salamanca-Riba, L.G. (2023). Model of electromagnetic interference shielding effectiveness for a multifunctional composite containing carbon-fiber-reinforced polymer and copper mesh layers. Carbon, 212, article number 118179. doi: 10.1016/j.carbon.2023.118179.
  31. Mubashr, A. (2025). Density functional theory: A quantum mechanical framework for novel materials design. Journal of Engineering, Science and Technological Trends, 2(3). doi: 10.64060/jestt.v2i3.1.
  32. Naveed, F.N.U., & Dix, J. (2025). A radiation-hardened 4-bit flash ADC with compact fault-tolerant logic for SEU mitigation. Electronics, 14(21), article number 4176. doi: 10.3390/electronics14214176.
  33. Oukaira, A. (2025). Quantum hardware devices (QHDs): Opportunities and challenges. IEEE Access, 13, 98229-98241. doi: 10.1109/ACCESS.2025.3576216.
  34. Pal, S., & Ray, B.C. (2020). Molecular dynamics simulation of nanostructured materials: An understanding of mechanical behavior (1st ed.). Boca Raton: CRC Press. doi: 10.1201/9780429019845.
  35. Patsis, P.A., & Okalidis, P. (2025). Normal spiral grand-design morphologies in self-consistent n-body models. Galaxies, 13(6), article number 132. doi: 10.3390/galaxies13060132.
  36. Pendse, P. (2024). An overview on LiDAR for autonomous vehicles. Zenodo. doi: 10.5281/zenodo.10992392.
  37. Rasolomampionona, D.D., & Kłos, M. (2023). Energy storage systems and their role in smart grids. In Smart grids technology and applications. London: IntechOpen. doi: 10.5772/intechopen.103945.
  38. Song, J.-K., & Wu, S.-T. (2024). Optical materials and applications for AR and VR display systems. ACS Applied Optical Materials, 2(7), 1245-1246. doi: 10.1021/acsaom.4c00226.
  39. Sung, N.-J., Ma, J., Hor, K., Kim, T., Va, H., Choi, Y.-J., & Hong, M. (2025). Real-time physics simulation method for XR application. Computers, 14(1), article number 17. doi: 10.3390/computers14010017.
  40. Tari, I., & Yalcin, F.S. (2010). CFD analyses of a notebook computer thermal management system and a proposed passive cooling alternative. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 33(2), 443-452. doi: 10.1109/TCAPT.2010.2044505.
  41. Vanatta, M., Patel, D., Allen, T., Cooper, D., & Craig, M.T. (2024). Technoeconomic analysis of small modular reactors decarbonizing industrial process heat. Joule, 8(2), 542-552. doi: 10.1016/j.joule.2024.02.001.
  42. Wang, S., Cao, Y., Zheng, X., & Zhang, T. (2022). Collision-free trajectory planning for a 6-DoF free-floating space robot via hierarchical decoupling optimization. IEEE Robotics and Automation Letters, 7(2), 4953-4960. doi: 10.1109/LRA.2022.3152698.
  43. Yunping, L., Xijie, H., Yonghong, Z., & Yukang, Z. (2018). Dynamic stability and control of a manipulating unmanned aerial vehicle. International Journal of Aerospace Engineering, 2018(9), article number 3481328. doi: 10.1155/2018/3481328.
  44. Zhou, J. (2022). A review of LiDAR sensor technologies for perception in automated driving. Academic Journal of Science and Technology, 3(3), 255-261. doi: 10.54097/ajst.v3i3.2993.

ЦИТУВАТИ

Liashuk, T. (2026). Physical aspects of the IT industry: From software architectures to cyber-physical systems. Bulletin of Cherkasy State Technological University, 31(2), 97-108. https://doi.org/10.62660/bcstu/2.2026.97