Molekulārā skaitļošana

Markam Rīdam molekulārās elektronikas nākotne ir tikko pienākusi. Rīds, kurš pats sevi raksturo kā ierīci, kurš vada Jēlas Universitātes elektrotehnikas nodaļu, lepojas ar izteikti praktisku ievirzi. Pajautājiet viņam par iespēju kādu dienu izmantot molekulas, lai aizstātu silīciju datoros, kas ir miljardiem reižu ātrāki par mūsdienu personāliem datoriem vai kas iederas kniepadatas galvā, un viņš grimasē. Es nezinu, kā to izdarīt. Es domāju, ka neviens to nedara, viņš noraidoši saka.

Taču tas nemazina sajūsmu, ko izjūt Rīds, vadošais molekulārās elektronikas pētnieks. Izmantojot Raisa universitātes ķīmiķa Džeimsa Tūra sintezētās molekulas, Rīds ir izveidojis elektroniskas atmiņas un vienkāršu loģisko elementu, kas sastāv no molekulām, kas darbojas kā mazi, atsevišķi slēdži. Ierīces, kas balstās uz mazām organiskām molekulām, ko rīsu ķīmiķi ir pielāgojuši, lai tām būtu tikai pareizās elektroniskās īpašības, ir neapstrādāti laboratorijas eksperimenti. Bet tie darbojas — molekulas darbojas kā sastāvdaļa ultramazās elektroniskās ierīcēs, kas spēj ieslēgt un izslēgt strāvu. Turklāt šie agrīnie prototipi jau ir parādījuši mājienus par atmiņas un loģisko triku veikšanu, kas nav iespējams ar silīcija pusvadītājiem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2000. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Rīds saka, ka visiespaidīgākais ir tas, ka molekulārās ierīces ir pārsteidzoši viegli izgatavotas un potenciāli lētas. Jūs vienkārši iemērciet ar metāla elektrodiem izklātu silīcija plāksnīti vārglāzē, kas piepildīta ar pareizajām ķīmiskajām vielām, un dodiet molekulām dažas minūtes, lai tās veidojas uz elektrodiem. Ja esat pietiekami gudrs ar ķīmiju, ir iespējams pierunāt molekulas spontāni orientēties uz elektrodiem. Tas darbojas skaisti, un tas darbojas katru reizi, saka Rīds.

Tas var darboties katru reizi, taču pastāv ievērojamas pretrunas par to, kādas šīs ķīmiskās reakcijas jebkad veidos. Lai gan patiesi ticīgie iztēlojas pasauli, kurā mikroskopiski molekulārie datori, kas izgatavoti par zemām izmaksām, veic ievērojamus aprēķinus, skeptiķi domā, ka šī joma ir zaudējusi redzesloku reālo inženiertehnisko robežu pasauli. Tikmēr tādi ierīču puiši kā Rīds domā, ka nākotne — funkcionālu prototipu veidā, ko var integrēt ar parasto silīcija tehnoloģiju — ir tagad.

Molekulārās skaitļošanas galvenā priekšrocība ir iespēja ievietot mikroshēmā daudz vairāk shēmu, nekā silīcijs jebkad spēs, un to izdarīt lēti. Pusvadītāju ražotāji tagad var saspiest aptuveni 28 miljonus tranzistoru mikroshēmā, samazinot tranzistoru mazākās īpašības līdz aptuveni 180 nanometriem (metra miljarddaļām). Tomēr, izmantojot parastās mikroshēmu veidošanas metodes, jo mazāku funkciju veidojat, jo dārgāks un grūtāks kļūst process. Daudzi pusvadītāju eksperti šaubās, vai komerciālās ražošanas metodes var ekonomiski izgatavot silīcija tranzistorus, kas ir daudz mazāki par 100 nanometriem. Un pat tad, ja mikroshēmu ražotāji varētu izdomāt saprātīgu veidu, kā tās iegravēt mikroshēmā, īpaši mazi silīcija komponenti, visticamāk, nedarbotos: pie tranzistora izmēriem aptuveni 50 nanometri, elektroni sāk pakļauties dīvainiem kvantu likumiem, klīst tur, kur tie atrodas. nav jābūt.

No otras puses, molekulas ir tikai dažus nanometrus lielas, padarot iespējamas mikroshēmas, kas satur miljardus, pat triljonus slēdžu un komponentu. Sākotnējos eksperimentos zinātnieki ir ievietojuši lielu skaitu molekulu starp metāla elektrodiem. Tomēr ierīces darbojas, jo katra molekula darbojas kā slēdzis. Ja būtu iespējams savienot nelielu skaitu molekulu kopā kā atsevišķus elektroniskus komponentus, lai izveidotu shēmas, rezultāts mainītu visu datoru dizainā. Molekulārām atmiņām varētu būt miljons reižu lielāks uzglabāšanas blīvums nekā mūsdienu labākajām pusvadītāju mikroshēmām, tādējādi ļaujot saglabāt mūža pieredzi rokas pulksteņa izmēra sīkrīkā. Superdatori varētu būt pietiekami mazi un pietiekami lēti, lai tos iekļautu apģērbā. Pazustu bažas, ka skaitļošanas tehnoloģija drīz atsitīsies pret sienu.

Ja tie kādreiz tiks īstenoti, šie pieteikumi ir gadu desmitiem ilgi. Tomēr Rīds apgalvo, ka daži molekulārās elektronikas lietojumi drīz varētu būt iespējami. Īpaši mazas, lētas molekulārās ierīces varētu atrasties blakus silīcijam, samazinot tranzistoru skaitu un ķēdei nepieciešamo jaudu. Tas ir kaut kas, ko jūs varētu izmantot šodien, kaut ko jūs varētu pārdot Radio Shack, saka Rīds. Tam ir iespēja pilnībā mainīt silīcija ekonomiku.

Lai to padarītu par realitāti, Rīds, Tūrs un ķīmiķi no Pensilvānijas štata universitātes ir līdzdibinājuši jaunuzņēmumu Molecular Electronics. Grupa atsakās minēt, kādi būs sākotnējie produkti, taču Tūre saka, ka funkcionējoša sistēma pēc pāris gadiem nešķiet nereāla.

Vēl pavisam nesen šī prognoze šķita tāla. Taču pēdējā gada laikā šī joma ir veikusi lēcienu no teorijas uz praktisko jomu. Tāpat kā viņu konkurenti Jēlā un Raisā, Rietumkrasta ķīmiķu un datorzinātnieku sadarbība no Hewlett-Packard un Kalifornijas Universitātes Losandželosā nesen raksturoja molekulas, kas spēj darboties kā elektroniski slēdži un atmiņa (skatīt iepriekšējo izdevumu: Computing After Silicon , TR 1999. gada septembris/oktobris). R. Stenlijs Viljamss, kurš vada HP darbu, saka, ka viņa komanda plāno 18 mēnešu laikā izveidot loģiskās shēmas prototipu, kas integrēs nelielu skaitu nanomēroga molekulāro ierīču. Mums ir slēdži un vadi — komponenti, lai faktiski izveidotu īstu nanoshēmu, saka Viljamss.

Recepte

Vismaz teorētiski molekulārās elektroniskās ierīces montāža ir vienkārša. HP/UCLA sadarbības atbalstītajā receptes versijā zinātnieki vispirms izveido vienu pareizo organisko molekulu monoslāni ķīmiskajā aparātā, ko sauc par Langmuir sile; pēc tam tie iegremdē silīcija substrātu, kas pārklāts ar metāla elektrodu zīmējumu. Ja ķīmija ir pareiza, molekulas saistīsies ar metāla elektrodiem, kārtīgi orientējoties. Pēc tam uz molekulām tiek uzklāts otrs elektrodu komplekts; rezultāts ir organisko molekulu vienslānis, kas iestiprināts starp metāla elektrodiem.

Izaicinājums ir tāds, ka lielākā daļa organisko molekulu nemaz nav elektriskie vadītāji, neskatoties uz to, ka tām ir elektroniskās īpašības, kas ļauj tām darboties kā efektīvam slēdzim. Lai sistēma darbotos elektroniski, ir nepieciešamas īpaši pielāgotas molekulas, kas atkārtoti ieslēdzas un izslēdzas uzticamā un nosakāmā veidā (īpašības, kas ir padarījušas silīciju tik veiksmīgu). Molekulu izstrāde, kas spēj paveikt šo triku, ir ķīmijas burvju, piemēram, Raisa tūres un UCLA Džeimsa Hīta un Freizera Stoddata, sfēra.

Viņu burvība sāka atmaksāties pagājušā gada rudenī. Pirmkārt, HP/UCLA grupa publicēja rakstu, kurā aprakstīts, kas patiesībā ir molekulārais drošinātājs — vienreizējs slēdzis, kura pamatā ir sarežģīta, hanteles formas organiskā molekula, ko sauc par rotaksānu; Pēc tam zinātnieki ir izveidojuši reversīvus slēdžus. Viņi arī parādīja, kā ierīce var veikt vienkāršas loģikas un atmiņas funkcijas. Dažu mēnešu laikā Yale/Rice sadarbība konkurēja ar šo varoņdarbu, aprakstot citu organisko molekulu sintēzi, kas darbojas kā elektroniskas ierīces.

Neskatoties uz atšķirībām molekulārajā detaļā, abas pētniecības grupas izmanto tos pašus kvantu efektus, kas galu galā varētu noteikt fundamentālus ierobežojumus silīcija pusvadītājiem. Molekulas, kas atdala divus elektrodus, parasti bloķē strāvas plūsmu. Tomēr atsevišķu molekulu nanopasaulē elektroni var iziet cauri barjerai, kurai saskaņā ar klasisko fiziku vajadzētu bloķēt to ceļu. Manipulējot ar spriegumu, kas novietots pāri elektrodiem, zinātnieki var pielāgot tunelēšanas ātrumu un tādējādi ieslēgt vai izslēgt strāvu.

Rīds jau ir sācis domāt par veidiem, kā izmantot molekulārās ierīces kombinācijā ar parasto silīciju. Viena veida kvantu loģikas vārti, ko Rīds nesen uzbūvēja, piemēram, veiktu to pašu specializēto funkciju kā septiņi daudz lielāki silīcija tranzistori, ievērojami samazinot integrētās shēmas izmēru un enerģijas patēriņu. Un, lai gan parasto tranzistoru izgatavošana prasa sarežģītu un dārgu apstrādi, molekulāro ierīci var pielīmēt pie ķēdes, saka Rīds.

Molekulas varētu nodrošināt arī īpaši lētu elektronisko atmiņu ar dažām pievilcīgām īpašībām. Visizplatītākais pusvadītāju atmiņas veids tiek saukts par DRAM dinamiskai brīvpiekļuves atmiņai. (Šī ir īstermiņa atmiņa, uz kuru jūsu dators paļaujas, kad tas palaiž programmu.) Problēma ar DRAM ir tāda, ka saglabātā informācija iztvaiko, kad tiek izslēgta strāva, un tā ir nepastāvīga. Šī iemesla dēļ jums ir jāstartē sistēma Windows katru reizi, kad ieslēdzat datoru, pārvietojot programmu no cietā diska uz DRAM mikroshēmām. Taču eksperimentālā molekulārā ierīce, ko Rīds izgatavoja pagājušajā rudenī, saglabā datus vairāk nekā 10 minūtes pēc strāvas izslēgšanas. Pieņemsim, ka mēs to varam iegūt pat vairākus gadus, saka Rīds. Būtībā tā būtu nepastāvīga atmiņa. Iedomājieties, cik reizes jums nevajadzētu palaist Windows.

Lai gan šīs agrīnās pielietošanas iespējas ir tālu no miljardiem tranzistoru molekulārajiem datoriem, ko entuziasti iztēlojas, tie varētu parādīt organisko molekulu vērtību kā elektronisku materiālu. Tie ir kamieļa deguns zem telts, saka Rīds, piebilstot, ka šīs hibrīdierīces jau ir ļoti reālistiskas. Tie ir pirmais solis ceļā uz sarežģītākām [molekulārām] ķēdēm.

Tomēr tas, visticamāk, būs garš ceļš. Pat vienkāršs dators, kas izgatavots no molekulāriem komponentiem, ir vismaz desmit gadu attālumā - un tad tikai tad, ja mēs būsim patiešām gudri, atzīst Viljamss. Bet HP ķīmiķis saka, ka viņa grupa jau ir ceļā. Savos sākotnējos prototipos Kalifornijas pētnieki ir izgatavojuši augšējo un apakšējo metāla stieples kā perpendikulārus režģus, izveidojot šķērsstieņa struktūru ar molekulām, kas atrodas vadu krustojumos. Līdz šim grupa ir izgatavojusi ierīces ar metāla kontaktiem, kuru diametrs ir tūkstošiem nanometru; katrā krustojumā ir miljoniem molekulu. Taču Viljamss saka, ka līdz šī gada beigām grupa paredz, ka vadi būs dažu nanometru šķērsgriezumā. Nebija jēgas visu uzreiz darīt smagi. Tāpēc mēs izmantojām daudz lielākus vadus. Tagad mēs veicam eksperimentus, lai pārslēgtos uz mazākiem vadiem un veiktu mērījumus.

Gandrīz ideālie kandidāti šādiem sīkiem vadiem ir struktūras, kas pazīstamas kā oglekļa nanocaurules. Šīs regulāras formas caurules, kuru diametrs ir tikai daži nanometri, varētu būt lieliski vadi elektroniem, kas ātri šķērso molekulāro ķēdi. Problēma ir tā, ka nanocaurules mēdz veidoties kā samezglots haoss, kas ir tālu no glīti sakārtotiem masīviem, kas nepieciešami sarežģītu ķēžu izgatavošanai. Jebkuru konstrukciju veidošana ar nanocaurulēm tagad ir mākslas forma, saka fiziķis Pols Makjūens no Kalifornijas Universitātes Bērklijā. Mēs būtībā nometam tos zemē un meklējam [konstrukciju], ko vēlamies.

HP/UCLA grupa ir pārliecināta, ka viņi atrisinās elektroinstalācijas problēmu. Galu galā tiks izmantotas nanocaurules. Viņu elektroniskās un fiziskās īpašības ir tik vēlamas, saka Viljamss. Viņš saka, ka pagaidām grupa strādā arī pie silīcija nanovadiem. Un, sola Viljamss, ar oglekļa nanocaurulēm vai bez tām, līdz vasaras beigām zinātnieki samazinās ierīču savienojumus līdz mazākiem par 10 nanometriem. Tuvākā termiņa mērķi ir 16 bitu atmiņa, kas ir 100 nanometri vienā pusē, un drīz pēc tam līdzīga izmēra loģiskā ierīce. Šīs elementārās shēmas var neapdraudēt silīcija valdīšanu, taču tās varētu būt pagrieziena punkts, palīdzot pierādīt, ka molekulārā elektronika ir iespējama.

Bet tad nāk patiesi biedējošā daļa: šo vienkāršo ierīču pārvēršana sarežģītās loģiskās shēmās un integrēšana faktiskā datorā. Viens no sodiem, ko maksājat par mikroelektronikas izgatavošanu, pamatojoties uz ķīmiju, ir tas, ka atšķirībā no silīcija mikroshēmām, kas ražotas augsto tehnoloģiju ražošanas rūpnīcās, molekulārās ierīces, kas sintezētas ķīmisko vielu tvertnēs, pēc būtības būs pilnas ar defektiem. Atsevišķu molekulu mērogā ķīmija ir saistīta ar statistiskām svārstībām — dažreiz tā darbojas, bet dažreiz ne. Bet tieši šeit HP/UCLA zinātnieki apgalvo, ka viņi ir panākuši vissvarīgāko izrāvienu.

Viņu atbilde: programmatūra, kas pārvar defektus. Pirms vairākiem gadiem HP datorzinātnieki izveidoja superdatoru ar nosaukumu Teramac, izmantojot bojātas silīcija mikroshēmas, kuras tika uzskatītas par nevērtīgām. HP zinātnieki bruģēja šīs noraidītās mikroshēmas datorā, izstrādājot šķērsstieņa arhitektūru, kas ļauj savienot jebkuru ievadi ar jebkuru izvadi. Kad aparatūra tika uzbūvēta, dators tika ieprogrammēts, lai identificētu un novērstu visus defektus. Sistēma darbojās, un tās milzīgais paralēlisms nodrošināja arhetipu, ko Kalifornijas zinātnieki plāno izmantot savā molekulārajā datorā.

Ķīmiķis, kas strādā pie datora, ir dīvaina lieta. Jūs nevarat doties pie ķīmiķa un lūgt viņam izveidot datoru, saka Hīts, viens no UCLA zinātniekiem, kas palīdz sintezēt nepieciešamos komponentus. Bet viņš saka, ka Teramac arhitektūra ir nodrošinājusi HP/UCLA grupai skaidri definētu mērķi. Programmatūra to pārvērtīs par mašīnu, saka Hīts. Viņš atzīst, ka šis molekulārais dators var būt tālu. Bet nav iemesla, kāpēc tas nedarbosies.

Pasaule starp

Lai gan tādi ļaudis kā Hīts ir prātīgi, tehnoloģijai ir daļa šaubu. Molekulārās elektronikas joma ir iemīlējusies pati par sevi, saka Riks Laitels, Sun Microsystems datorzinātnieks. Tomēr, neraugoties uz savu skepsi, Lytel stingri uzrauga Sun un izstrādā specifikācijas, lai pārbaudītu un novērtētu molekulāro ierīču prototipus. Viņš uzskata, ka molekulāro elektroniku galu galā varētu izmantot kā atmiņas ierīces. Taču Laitels saka, ka daudzi viņa kolēģi šajā jomā ir maldījuši sevi, domājot, ka ir tikai soļa attālumā no tirgus.

Pat ticīgie molekulārās elektronikas perspektīvām nepiekrīt viens otram par tehnoloģiju lomu skaitļošanā un elektronikā. Ņemiet vērā Marku Ratneru, Ziemeļrietumu universitātes ķīmiķi, kurš parasti tiek uzskatīts par vienu no šīs jomas vectēviem. Ratners šaubās, ka sarežģītos skaitļošanas uzdevumos molekulas jebkad tieši konkurēs ar silīciju. Jūs vēlaties izmantot molekulas tam, ko tās dara vislabāk, un kompensēt silīcija trūkumu, saka Ratners. Jo īpaši viņš norāda uz viņu spēju atpazīt citas molekulas un reaģēt uz tām. Apvienojot šīs funkcijas ar jaunizveidotajām elektroniskajām īpašībām, jūs varat izveidot niecīgus sensorus un izpildmehānismus, kas uztver un gudri reaģē uz bioloģiskām un ķīmiskām norādēm. Ratners saka, ka tas varētu padarīt iespējamas implantējamas biočipus ar sensoriem un izpildmehānismiem, kas izgatavoti no molekulārās elektronikas, kas uztver ķermeņa vajadzības un reaģē, izlādējot atbilstošu zāļu devu.

Šim molekulārās elektronikas pionierim šīs jomas patiesais potenciāls varētu tikt realizēts, apvienojot mikroelektronikas pasauli ar bioloģijas un molekulu pasauli. Ratners norāda, ka molekulārā elektronika varētu būt tā mīkla, kas beidzot palīdz pārvarēt materiālo plaisu starp bioloģiju un skaitļošanu.

Molekulārais paraugs Organizācija Galvenie pētnieki Fokuss Delftas Tehnoloģiju universitāte Cees Dekker Oglekļa nanocauruļu izmantošana kā nanovadi un elektroniskas ierīces; ir uzbūvējis tranzistoru no vienas nanocaurules Hārvardas universitāte Čārlzs Lībers Oglekļa nanocauruļu masīvu sintezēšana, kas var darboties gan kā vadi, gan kā elektroniskas ierīces Hewlett-Packard/UCLA R. Stenlijs Viljamss, Filips Kukes (HP); Freizers Stoddarts, Džeimss Hīts (UCLA) Pārkonfigurējamu slēdžu masīvu ķīmiska montāža atmiņai un loģikai; mērķis ir izveidot molekulāro datoru IBM Research Phaedon Avouris Studying the properties of nanocaurules; ir izveidojis tranzistoru no vienas nanocaurules Rice University James Tour Pašsamontēta datora izstrāde ar ļoti savstarpēji savienotu loģikas un atmiņas tīklu; ir sintezējis molekulas ar vēlamām īpašībām Kolorādo universitāte Josef Michl Molekulārā datora uzbūve; ir izveidojis piemērotas molekulas un īsus vadus Jēlas universitāte Marks Rīds Sadarbojoties ar Raisa universitāti, lai izveidotu molekulāro datoru; ir izgatavojis molekulāros slēdžus un atmiņas ierīces

paslēpties