Tranzistora atkārtota izgudrošana

Katru piektdienas pēcpusdienu Hewlett-Packard Labs Palo Alto, Kalifornijā, R. Stenlijs Viljamss, viens no cienījamākajiem domātājiem molekulārās elektronikas jomā, pulcē savu 25 pētnieku grupu, lai sarunātos. Viens pēc otra viņi dodas uz konferenču telpu. Viljamss ieiet precīzi laikā, apsēžas priekšā un saraucis pieri noliecas atpakaļ, rokas sarauktas. 1995. gadā viņu nolīga HP, lai viņš pārdomātu skaitļošanas pamatus, un šajā telpā viņš ir izvēlējies komandu, lai to paveiktu. Viljamsam patīk valkāt džinsus, un viņa mati sniedzas līdz pusei muguras, tāpēc viņš rada pirmo, īslaicīgu klusuma un neformalitātes iespaidu. Bet viņš acīmredzot nekad nesmaida, un viņa cilvēki strādā 19 stundu darba dienas, lai ievērotu viņa termiņus. Viljamss dažas minūtes nogaida ierastos kavētājus, tad pieceļas. Viņš runā efektīgā monotonā.

Mēs šodien vispirms dzirdēsim no Gun-Young, viņš saka. Tas, ko viņš ir paveicis, ir lieliski. Šeit visi viņam ir parādā pusdienas, jo viņa smagais darbs pēdējos vairākus mēnešus ir atmaksājis mūsu algas.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2003. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Gun-Young Jung, nesenais postdokts no Dienvidkorejas, pieceļas un klusi apraksta savu darbu pie nanonospiedumu litogrāfijas — procesa, kurā tiek izmantota fiziska veidne, lai uz silīcija plāksnēm izveidotu līdz pat sešiem nanometriem garus elementus. Tas ir vairāk nekā par vienu pakāpi mazāks par labākajām funkcijām, kas ir pieejamas, izmantojot mūsdienu uzlabotos fotolitogrāfijas procesus. Tomēr dažreiz lietas pielīp pie pelējuma. Tas ir kā kūkas mīkla, kas pielīp pie pannas, viņš saka. Viņa prezentācija ilgst apmēram desmit minūtes, un tai seko vēl divi citi.

Klausoties šos runātājus, vienu pēc otra, pamazām rodas sajūta par grupas stilu. Viņi izbauda sevi noniecinošu humoru un savos zinātniskajos skaidrojumos bieži iepludina apjukuma izpausmes, piemēram, es nezinu, un tas joprojām ir noslēpums, un man joprojām ir jāizmeklē, un pat es joprojām esmu diezgan iesācējs. Un, neskatoties uz viņu acīmredzamajām zināšanām, tā nav nepatiesa pieticība.

Viljamsa grupa saskaras ar monumentālu uzdevumu: mēģināt izveidot datorus, kuru funkcionalitāte balstās uz molekulu darbību. Lai to izdarītu, būs jāizgudro no jauna tranzistors. Lai gan silīcijs un citi neorganiskie pusvadītāji vienmēr ir bijuši mikroshēmu pamatelementi, izrādās, ka organiskajām molekulām var būt arī dažas potenciāli noderīgas elektriskās īpašības. Patiešām, dažu pēdējo gadu laikā pētnieki ir iemācījušies sintezēt molekulas, kas var darboties kā elektroniski slēdži, saglabājot atmiņā bināros 1 vai 0 vai piedalās loģiskās operācijās. Un molekulām ir viena būtiska priekšrocība: tās patiešām ir mazas.

Šāds darbs ir ļoti svarīgs skaitļošanas nākotnei, jo parastā mikroshēmu ražošanas tehnoloģija ir sadursmes kursā ar ekonomiku. Mūsdienu labākajām datoru mikroshēmām ir tik mazas silīcija funkcijas, kā 90 nanometri. Bet, jo mazākas ir funkcijas, jo dārgāka ir optiskā iekārta, kas nepieciešama to ražošanai. Mūsdienīgas silīcija mikroshēmu ražošanas rūpnīcas celtniecība tagad izmaksā aptuveni 3 miljardus USD. No otras puses, mikroshēmu, kurā silīcija tranzistori tiek aizstāti ar molekulārām ierīcēm, principā varētu izgatavot, izmantojot vienkāršu ķīmisku procesu, kas ir tikpat lēts kā fotofilmu izgatavošana. Ķēde ar 10 miljardiem slēdžu galu galā varētu ietilpt sāls graudiņā; tas ir tūkstoš reižu lielāks nekā tranzistoru blīvums mūsdienu labākajos datoros. Dators, kas izveidots no šādām shēmām, varētu dažu sekunžu laikā meklēt miljardos dokumentu vai tūkstošiem stundu video, veikt ļoti precīzas laikapstākļu un citu fizisko parādību simulācijas un prognozes, kā arī veikt daudz labāku darbu, imitējot cilvēka intelektu, iespējams, pat sazināties ar mums, izmantojot dabiska saruna.

Bet neatkarīgi no tā, cik teorētiski tas ir vilinoši, tas ir spekulatīvs, zilu debesu pētniecība, un ieguldījumi molekulārajā elektronikā ir azarts, ko daži uzņēmumi ir gatavi spēlēt. HP uzticība Williams ir liels iemesls, kāpēc tas ir viens no izņēmumiem, saka Šeins Robisons, uzņēmuma izpildviceprezidents un galvenais stratēģijas un tehnoloģiju vadītājs. Papildus viņa spējai izveidot pirmās klases starpdisciplināru ekspertu komandu un uzsvaru uz to, kā zinātni un tehnoloģijas pārvērst reālos produktos, Stena labākā kvalitāte, iespējams, ir viņa mūžīgais optimisms, saka Robisons. Protams, pastāv arī milzīgās peļņas vilinājums, ja Williams tehnoloģija kādreiz aizstātu parastās silīcija mikroshēmas. Tik ambiciozi projekti vienmēr ir tālredzīgi, taču mēs to nedarītu, ja nedomātu, ka pastāv lielas izredzes gūt panākumus, saka Robisons.

Protams, uzņēmums ir ierobežojis savas likmes, izturoties piesardzīgi ar finansējumu. Viljamsa grupai ir četru gadu dotācija 12,5 miljonu ASV dolāru apmērā no ASV Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūras (DARPA), un HP nodrošina atbilstošus līdzekļus, bet aptuveni puse no DARPA finansējuma tiek piešķirta universitāšu pētniecības partneriem. Ietaupīšanas pazīmes ir visur laboratorijā, sākot no krājumu trūkuma kafijas telpā un beidzot ar žūrijas aprīkotu aprīkojumu. Neskatoties uz to, grupa ir panākusi vienu izrāvienu pēc otra, jo īpaši, pierādot, ka tradicionālajā elektronikā kādreiz izplatīto šķērsstieņu dizainu var atjaunot molekulārā mērogā. Pagājušā gada demonstrācijā grupa ieslodzīja molekulas savienojumos starp titāna un platīna nanovadiem, kas sakārtoti astoņu reiz astoņu, viena mikrometra kvadrāta režģī, un parādīja, ka molekulas var ieslēgt un izslēgt noteiktos savienojumos. pirmais solis darba atmiņas vai loģiskās ierīces izveidē.

Strādājošs akls

Pavadiet kādu laiku Viljamsa laboratorijā, un jūs sākat saprast, kāpēc daudz kas par molekulāro elektroniku joprojām ir noslēpums, sākot ar salīdzinoši vienkāršu jautājumu par to, ko īsti pētnieki būvē. Jons Čens, Ķīnas izcelsmes un Viljamsa grupas dalībnieks kopš 1998. gada, daudz laika pavada, sēžot aizliktā, bezlogu, deviņus kvadrātmetrus lielā, ar biezām putām polsterētā telpā. Šeit atrodas smalks elektronu mikroskops, kas izmanto elektronu starus, lai radītu aptuvenu priekšstatu par struktūrām, ko Čens rada laboratorijā gaitenī.

Čens ir tās komandas vadītājs, kura grupai ir devusi līdz šim lielāko publisko panākumu, proti, 64 bitu šķērsstieņa atmiņu. Viņa komanda vispirms uz silīcija substrāta uzspieda astoņus paralēlus nanovadus, kas izgatavoti no titāna un platīna, un pārklāja šos vadus ar vienas molekulas biezu sintētiskas ķīmiskas vielas, ko sauc par rotaksānu, slāni. Pēc tam viņi novietoja otru titāna vadu komplektu perpendikulāri pirmajam, radot iespēju izveidot elektrisku savienojumu starp vadiem jebkurā tīkla krustojumā.

Katra rotaksāna molekula, ko izgudroja ķīmiķis Freizers Stoddarts Kalifornijas Universitātē, Losandželosā, sastāv no garas ass ar diviem atomu gabaliem katrā galā un atomu gredzena, kas riņķo ap asi. Stoddarta un Viljamsa grupas teorētiski apgalvo, ka, pieliekot spriegumu caur īpašu, krustojošu nanovadu pāri, gredzeni uz rotaksāna molekulām starp vadiem pārlec no viena ass gala uz otru un paliek tur, līdz tiek pielietots cits spriegums. Tas varētu paaugstināt vai pazemināt molekulu pretestību elektriskajai strāvai, un šie divi vadītspējas stāvokļi attēlo ciparu 1 vai 0. Tagad Čens vēlas redzēt, cik mazu viņš var izgatavot šādu ierīci, un cenšas izdrukāt atsevišķus vadus vēl tuvāk viens otram. Tas ir rūpīgs darbs, kurā nekad nevar zināt, vai gūstat panākumus, līdz brīdim, kad tas darbojas.

Šodien Čens ir atvērts mutē, aizrautīgs, pievēršot absolūtu uzmanību viņam priekšā esošajam monitoram, vienlaikus cenšoties turpināt sarunu. Viņš nav pilnībā veiksmīgs. Vairākas minūtes paiet klusi, kamēr gaisā karājas neatbildēts jautājums. Viņš palielina mikroskopa palielinājumu, pārmeklējot virkni neskaidru, pelēku uz pelēku attēlu, kas izskatās kā tuksneša satelīta fotoattēli.

Pēc ražošanas procesa pabeigšanas mēs ierodamies šeit, lai pārbaudītu, kāda veida lieta mums ir, viņš saka. Es gribu redzēt, vai vads ir iezemēts uz pamatnes vai piekārts virs tā. Ir viens. Ak, es to pazaudēju.

Galu galā viņš atrod kaut ko, kas izskatās kā armatūras garums uz ogļu putekļu kaudzes, bet patiesībā ir stieple, 35 nanometrus plata, kas balstās uz silīcija pamatnes. Viņš uzņem attēlu, atkal klusējot, aizturot elpu, jo skaņas viļņi ietekmēs attēla kvalitāti.

Mēs varam runāt tagad, viņš saka. Šeit faktiski var redzēt, ka šis vads ir pārrauts. Žēl gan. Atklāti sakot, tas ir ikdienišķs eksperiments. Čena mērķis ir atrast materiālu kombināciju — recepti, ja vēlaties, kas piešķirs teflonam līdzīgu nelipīgumu veidnei, kas nogulsnē vadus uz pamatnes; pretējā gadījumā tie izspiežas un sagriežas, kad tiek noņemta veidne. Bet sēžot šajā klusajā, ar putām pārklātajā telpā un vērojot vienu no vadošajiem zinātniekiem šajā jomā, kas meklē graudainus attēlus, jūs saprotat, cik grūti ir strādāt šādā mērogā. Trīs nedēļas vēlāk, pēc piecu mēnešu rūpīga eksperimenta un novērojumiem, Čens un Guns Jangs Jungs atrod meklēto rezultātu, pietuvinot molekulārā izmēra ķēžu iespēju.

Es nepareizi aprēķināju vairākas lietas, Čens vienkārši saka.

Tagad viņš var pāriet pie nākamās problēmas.

Vietu maiņa

Rezultātu novērošana, protams, ir pēdējais solis notikumu virknē, kas tradicionāli sākas ar teoriju par to, kā lietām vajadzētu uzvesties. Tomēr molekulārās elektronikas gadījumā ļoti maz ir virzījies taisnā virzienā no teorijas uz eksperimentu līdz rezultātam. Teorijas var nīkuļot gadiem ilgi, gaidot pietiekami precīzus rīkus, lai tās pārbaudītu. Faktiski ķīmiķi pirmo reizi ierosināja ideju par molekulāro elektroniku 20. gadsimta 70. gadu vidū, taču pagāja vēl 20 gadi, pirms kāds varētu sākt to īstenot praksē. Tomēr pēdējā laikā eksperimentālie rezultāti ir sākuši apgrūtināt teorētiķu spēju tos izskaidrot.

Viena mīkla ir konsekvences trūkums eksperimentālo rezultātu mērīšanā no laboratorijas uz laboratoriju un pat no eksperimenta uz eksperimentu. Alekss Bratkovskis, teorētiskais fiziķis un Maskavas iedzimtais, kurš pievienojās HP 1996. gadā, saka, ka viņš bija viens no pirmajiem, kurš saprata, ka molekulas orientācijai starp metāla elektrodiem ir izšķiroša nozīme, lai izprastu tās pārslēgšanas īpašības. Strāva ir ļoti atkarīga no tā, kā molekula savienojas ar substrātu, saka Bratkovskis. Atkarībā no molekulas stāvokļa signāls var pazust un pēc tam atgriezties. Mēs kādu laiku šo faktu ignorējām. Tā kā molekulas orientācijas kontrole joprojām ir ārpus pašreizējiem eksperimentālajiem instrumentiem, rezultāti dažādās laboratorijās ir ļoti atšķirīgi, un zinātniekiem daudzos gadījumos ir jānovērtē, vai atšķirības starp rezultātiem ir patiesas nozīmes, vai arī tās var izskaidrot ar efektiem, kas joprojām ir ārpus eksperimentālās kontroles.

Lai izprastu pārslēgšanas fenomenu, HP pētnieki pēta virkni jaunu molekulu, kuras varētu kontrolēt vieglāk nekā rotaksānu, saka Bratkovskis. Daži no tiem jau tiek izstrādāti, taču progress ir lēns. Var paiet vairāk nekā divi gadi, lai izstrādātu, simulētu, sintezētu un, visbeidzot, pārbaudītu molekulas elektroniskās īpašības, un pēc tam pētnieki var sākt visu no jauna.

Pāri Bratkovska gaitenim Dankans Stjuarts, eksperimentālais fiziķis, kuru nesen nolīga Viljamsa laboratorija, vairāk nekā sešus mēnešus pavadīja pretrunīgā eksperimentā, lai palīdzētu noskaidrot, kāpēc dažas molekulas var darboties kā molekulāri slēdži, mainot vadītspēju, reaģējot uz pielietoto spriegumu. Dizaineru molekulu, piemēram, rotaksāna, vietā Stjuarts izmantoja vienkāršu ogļūdeņraža molekulu, kas sastāv no 18 oglekļa atomu ķēdes, ko ieskauj ūdeņraža atomi. Stjuarts to sauc par molekulārās pasaules Plain Jane. Tas ir stabils, inerts un teorētiski tam nevajadzētu būt interesantām elektroniskām īpašībām. Bet tas tik un tā pārgāja.

Man ir daudz datu, un stāsts ir tāds, ka dati neatbilst nevienam modelim vai nevienai esošai teorijai. Tātad pat visvienkāršākajā gadījumā mēs nesaprotam, kā elektroni pārvietojas pa molekulu, viņš saka. Reizēm tas ir ārkārtīgi kaitinoši. Jums ir jābūt ļoti cūcīgam, sešus mēnešus jāsit galva pret sienu, un galu galā viens ķieģelis izkustas, un galu galā visa siena sabrūk un jūs redzat citu sienu.

Putekļi mašīnā

Ja šo pētnieku pētītie materiāli šķiet mulsinoši un neparedzami, viņu izmantotā tehnika ir vēl jo vairāk. Molekulārās elektronikas progress bieži ir pakļauts neparedzamām kļūmēm eksperimentālajā iekārtā. Galu galā tā ir laboratorijas zinātne, nevis inženierija.

Tan Ha, Vjetnamas dzimtene, ir atbildīga par laboratorijas tīrajā telpā izmantoto aprīkojumu. Divas vai trīs reizes dienā viņš uzvelk tīras telpas uzvalku un dodas telpā, lai pārbaudītu, pielāgotu un modificētu aprīkojumu, kas daudzos gadījumos ir pirmie eksperimenti. Mēs uzvalkam. Tagad mēs esam gatavi ķīmiskajam karam, viņš saka. Maska uz sejas apgrūtina spriest, vai viņš joko.

Iekļūstot iekšā, mēs izveidojam kontūru mašīnai, ko sauc par ķīmisko tvaiku pārklāšanas reaktoru. Tā sānos izskatās kā liels tērauda cilindrs, kas ir ieskauts stiklā. Man ir īpašas attiecības ar šo mašīnu, viņš saka un pieskaras stiklam ar cimda roku.

Šāda veida reaktors ir standarta cena pusvadītāju ražošanas iekārtās, taču Ha ir pārveidojis iekārtu, lai veiktu īpaši precīzus eksperimentus, ko Teds Kamins, Viljamsa grupas loceklis kopš 1995. gada, ir pieprasījis. Kamins gadiem ilgi ir strādājis pie galvenā sapņa par nanopētniecību: radīšanu. ierīces aug vēlamajās struktūrās, nevis veido tās pa gabalu. Viņa mērķis ir audzēt nanovadus, kas nepieciešami molekulārajai elektronikai, kā alternatīvu nano nospiedumu litogrāfijas izmantošanai. Līdz šim Kamins ir sintezējis vadus, kuru diametrs ir pat 10 nanometri, dažādu materiālu nanodaļiņas pakļaujot gāzu maisījumam nogulsnēšanas reaktorā. Sekojošā reakcijā ap daļiņām izaug garas silīcija ķēdes, radot to, kas zem elektronu mikroskopa izskatās kā adatu mežs.

Molekulārajai elektronikai nepieciešamo vadu audzēšana ir aizraujoša lieta, taču Kaminsa īpašie eksperimenti gandrīz nenotika. Ha man stāsta, ka viņš pavadīja vairāk nekā gadu no savas dzīves, cenšoties panākt, lai mašīna darbotos. Katru reizi, kad mēs veicām eksperimentu, piesārņojums iznīcinātu procesu, viņš saka. Nebija tā, ka mašīna bija salauzta; vienkārši nevienam nekad nebija bijis nepieciešams veikt tādus eksperimentus, kādus Kamins vēlējās. Man tai ir jābūt garīgai programmai, saka Ha. Teds bija neapmierināts. Tā arī man bija. Es visu dienu šeit sēdēju ceļos, grozot lietas pēc skrūves. Es vakarā eju gulēt un aizvēru acis un redzētu santehnikas shēmu uz saviem plakstiņiem. Izrādījās, ka problēma ir izplūdes sistēmā. Es devos mājās un teicu sievai: Tas ir viss; Es esmu pārbaudīts iekārtu inženieris.” Tā es biju laimīgs.

Uzvarētāja izvēle

Par lielu Dankana Stjuarta vilšanos Viljamss lūdza viņam pēc sešiem mēnešiem publicēt rezultātus ar ogļūdeņraža molekulu un koncentrēties uz citiem darbiem. Tomēr Viljamss mudināja Ha turpināt strādāt ceļos un sapņot par santehnikas diagrammām gadu, lai veiktu eksperimentus, kas pēc Viljamsa aplēsēm ir vismaz sešus gadus pēc īstenošanas un, iespējams, nekad nedos praktisku rezultātu. Kā viņš izlemj konkurējošo teoriju un iespēju jūrā un ar budžeta spiedienu, par ko viņš regulāri sūdzas?

Tas ir pieredzes jautājums, saka Viljamss. Savas karjeras laikā daudzkārt esmu bijis daudzās aklās ejās. Viņi ir tik vilinoši. Jūs varat iedziļināties šajās lietās un padomāt, labi, tikai vēl viens solis, tikai vēl viens solis. Šķiet, ka citas lietas ir pareizajā virzienā, un es redzu, kur mēs ejam. Citiem vārdiem sakot, viņš ir iemācījies uzticēties savai intuīcijai, jo tā ir viss, kas viņam ir. Esmu izgājusi ciklu daudzas reizes.

Williams visilgākā apņemšanās īstenot jebkuru ideju molekulārajā elektronikā ir šķērsstieņa arhitektūra. Taču viņš pieļauj, ka pat šī ideja varētu būt akla eja. Vai kādreiz būs iespējams, piemēram, tīri notvert molekulas divu vadu krustpunktā, pilnībā pārliecinoties par to orientāciju? Tālāk ir praktiska problēma ar ieguvumu vai vājas elektriskās ievades pārvēršanu spēcīgā izvadē; tā ir kritiska spēja, kas nepieciešama gan loģisko darbību veikšanai, gan mazo strāvu pastiprināšanai, kas šķērso molekulāros slēdžus, lai parastās silīcija sistēmas varētu tās atklāt. Un tā ir problēma, kurai nav pierādīta risinājuma.

Stens ir gudrs puisis, lai Dievs viņu svētī, un, ja kāds var atrisināt šīs lietas, tā būs viņa komanda, saka Džeimss Tūrs, Raisa universitātes ķīmiķis, kurš strādā pie konkurējošas pieejas molekulārajai skaitļošanai. Bet viņam ir smaga problēma. Katrā krustpunktā molekulām jābūt stabilām. Tad viņiem ir jāsazinās ar visiem vadiem, kas iziet. Tam ir milzīgas izmaksas. Viņiem ir stāvs kalns, kur kāpt.

Noteikti iespējams, ka mēs kļūdāmies, atzīst Viljamss. Tad viņš pakrata galvu un uz īsu brīdi pārstāj būt pazemīgs.

Es tā nedomāju, viņš saka. Es domāju, ka esam izvēlējušies uzvarētāju, kas ļaus šai lietai, ko saucam par Mūra likumu, turpināties vēl 50 gadus. Es kādreiz domāju, ka tas nav iespējams. Tagad es domāju, ka tas ir neizbēgami.

Alternatīvas silīcijam
Tehnoloģija	skaitļošanas elementi	Vadošās institūcijas
DNS skaitļošana	DNS un RNS virknes šķīdumā	Dienvidu universitāte Kalifornija, Veizmane Zinātņu institūts
Molekulārās elektroniskās ierīces	Molekulas, piemēram, rotaksāns	Hewlett-Packard universitāte, Jēla
Nanošūnas	Zelta nanodaļiņas, kas nogulsnētas nejaušos masīvos	Rīsu universitāte
Nanocauruļu elektroniskie komponenti	Oglekļa nanocaurules, kas darbojas kā tranzistori, atmiņa un vadi	IBM, Hārvardas universitāte, NASA Eimsa pētniecības centrs
Kvantu skaitļošana	Elektronu un molekulu kvantu īpašības	MIT, IBM, Hewlett-Packard, Nacionālā Standartu institūts un tehnoloģija

paslēpties