Molekulinis skaičiavimas

Markui Reedui molekulinės elektronikos ateitis ką tik atėjo. Savarankiškai apibūdintas prietaisų vaikinas Reedas, vadovaujantis Jeilio universiteto Elektros inžinerijos katedrai, didžiuojasi tuo, kad turi ypač praktišką polinkį. Paklauskite jo apie galimybę vieną dieną panaudoti molekules siliciui pakeisti kompiuteriuose, kurie yra milijardus kartų greitesni nei šiandieniniai kompiuteriai arba kurie telpa ant smeigtuko galvos, ir jis susiraukia. Aš nežinau, kaip tai padaryti. Nemanau, kad kas nors taip daro, atmestinai sako jis.

Tačiau tai nesumažina jaudulio, kurį jaučia pirmaujantis molekulinės elektronikos tyrinėtojas Reedas. Naudodamas Rice universiteto chemiko Jameso Touro susintetintas molekules, Reedas sukūrė elektronines atmintis ir paprastą loginį elementą, sudarytą iš molekulių, veikiančių kaip maži, atskiri jungikliai. Prietaisai, kurie remiasi mažomis organinėmis molekulėmis, kurias ryžių chemikai pritaikė, kad turėtų tik tinkamas elektronines savybes, yra neapdoroti laboratoriniai eksperimentai. Tačiau jie veikia – molekulės veikia kaip itin mažų elektroninių prietaisų, galinčių įjungti ir išjungti srovę, komponentas. Be to, šie ankstyvieji prototipai jau parodė užuominas, kaip atlikti atminties ir loginius triukus, kurių neįmanoma naudojant silicio puslaidininkius.

Ši istorija buvo mūsų 2000 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Reedas teigia, kad įspūdingiausia yra tai, kad molekulinius prietaisus pagaminti yra stebėtinai lengva ir galimai pigu. Jūs paprasčiausiai panardinate metaliniais elektrodais išklotą silicio plokštelę į stiklinę, pripildytą reikiamų cheminių medžiagų, ir duokite molekulėms kelias minutes susidaryti ant elektrodų. Jei esate pakankamai sumanus su chemija, galite priversti molekules spontaniškai orientuotis ant elektrodų. Jis veikia gražiai ir veikia kiekvieną kartą, sako Reedas.

Tai gali veikti kiekvieną kartą, tačiau kyla daug ginčų dėl to, ką šios cheminės reakcijos kada nors sudarys. Nors tikri tikintieji įsivaizduoja pasaulį, kuriame mažomis sąnaudomis pagaminti mikroskopiniai molekuliniai kompiuteriai atlieka nuostabius skaičiavimus, skeptikai mano, kad ši sritis pamiršo tikrąjį inžinerijos ribų pasaulį. Tuo tarpu prietaisų vaikinai, tokie kaip Reedas, mano, kad ateitis – veikiantys prototipai, kuriuos galima integruoti su įprastine silicio technologija – yra dabar.

Pagrindinis molekulinio skaičiavimo pranašumas yra galimybė į mikroschemą sudėti daug daugiau grandinių, nei kada nors sugebės silicis, ir tai padaryti pigiai. Puslaidininkių gamintojai dabar gali į lustą sutalpinti apie 28 milijonus tranzistorių, sumažindami mažiausias tranzistorių savybes iki maždaug 180 nanometrų (milijardųjų metro dalių). Tačiau naudojant įprastus lustų gamybos metodus, kuo mažesnė funkcija, tuo procesas brangesnis ir sunkesnis. Daugelis puslaidininkių ekspertų abejoja, ar komerciniais gamybos metodais galima ekonomiškai pagaminti silicio tranzistorius, kurių skersmuo yra daug mažesnis nei 100 nanometrų. Ir net jei lustų gamintojai galėtų sugalvoti pagrįstą būdą, kaip juos išgraviruoti ant lusto, itin maži silicio komponentai greičiausiai neveiks: kai tranzistorius yra maždaug 50 nanometrų, elektronai pradeda paklusti keistiems kvantiniams dėsniams ir klajoja ten, kur yra. neturėtų būti.

Kita vertus, molekulės yra vos kelių nanometrų dydžio, todėl galimos lustai, kuriuose yra milijardai, net trilijonai jungiklių ir komponentų. Pradiniuose eksperimentuose mokslininkai tarp metalinių elektrodų įspraudė daugybę molekulių. Tačiau prietaisai veikia, nes kiekviena molekulė veikia kaip jungiklis. Jei būtų įmanoma sujungti nedidelį skaičių molekulių kaip atskirus elektroninius komponentus, kad sudarytų grandines, rezultatas pakeistų viską kompiuterio projekte. Molekulinės atminties talpos tankis gali būti milijonas kartų didesnis nei šių dienų geriausių puslaidininkinių lustų, todėl visą gyvenimą patirtus įspūdžius galima laikyti rankinio laikrodžio dydžio įtaise. Superkompiuteriai gali būti pakankamai maži ir pakankamai pigūs, kad juos būtų galima įtraukti į drabužius. Nerimas, kad skaičiavimo technologijos greitai atsitrenks į sieną, išnyktų.

Šios programos trunka dešimtmečius, jei jos kada nors bus įgyvendintos. Vis dėlto Reedas teigia, kad kai kurie molekulinės elektronikos panaudojimo būdai netrukus gali būti įmanomi. Itin maži, pigūs molekuliniai įtaisai galėtų sėdėti greta silicio, sumažinant tranzistorių skaičių ir grandinės reikalingą galią. Tai yra kažkas, ką galėtumėte naudoti šiandien, ką galėtumėte parduoti „Radio Shack“, sako Reedas. Tai turi galimybę visiškai pakeisti silicio ekonomiką.

Kad tai taptų realybe, Reed, Tour ir chemikai iš Pensilvanijos valstijos universiteto kartu įkūrė startuolį, pavadintą Molecular Electronics. Grupė atsisako pasakyti, kokie bus pirminiai produktai, tačiau Tour teigia, kad po poros metų sukurti veikiančią sistemą neatrodo nerealu.

Dar visai neseniai ši prognozė atrodė tolima. Tačiau per pastaruosius metus ši sritis padarė šuolį nuo teorijos prie praktikos. Kaip ir jų konkurentai Jeile ir Rice, Vakarų pakrantėje bendradarbiaujantys chemikai ir kompiuterių mokslininkai iš Hewlett-Packard ir Kalifornijos universiteto Los Andžele neseniai apibūdino molekules, galinčias veikti kaip elektroniniai jungikliai ir atmintis (žr. ankstesnį leidimą: Kompiuterija po silicio , TR 1999 m. rugsėjis/spalis). R. Stanley Williamsas, vadovaujantis HP pastangoms, sako, kad jo komanda tikisi per 18 mėnesių sukurti loginės grandinės prototipą, integruojantį nedidelį skaičių nanoskalės molekulinių įrenginių. Mes turime jungiklius ir laidus – komponentus, kad iš tikrųjų sukurtume tikrą nanoschemą, sako Williamsas.

Receptas

Bent jau teoriškai molekulinio elektroninio prietaiso surinkimas yra nesudėtingas. Recepto versijoje, kuriai pritarė HP/UCLA bendradarbiavimas, mokslininkai pirmiausia pagamina vieną monosluoksnį tinkamų organinių molekulių cheminiame aparate, vadinamame Langmuir lovio; tada jie panardina į lovelį silicio substratą, padengtą metalinių elektrodų raštu. Jei chemija tinkama, molekulės prisijungs prie metalinių elektrodų, tvarkingai orientuodamosi. Tada ant molekulių nusodinamas antras elektrodų rinkinys; rezultatas yra vienas organinių molekulių sluoksnis, įterptas tarp metalinių elektrodų.

Iššūkis yra tas, kad dauguma organinių molekulių nėra elektros laidininkai, nepaisant to, kad turi elektroninių savybių, leidžiančių joms veikti kaip veiksmingam jungikliui. Norint, kad sistema veiktų elektroniniu būdu, reikia specialiai pritaikytų molekulių, kurios pakartotinai įsijungia ir išsijungia patikimu ir aptinkamu būdu (dėl savybių silicis buvo toks sėkmingas). Molekulių, galinčių atlikti šį triuką, kūrimas yra chemijos burtininkų, tokių kaip Rice's Tour ir UCLA James Heath ir Fraser Stoddart, sritis.

Jų burtai pradėjo labai pasiteisinti praėjusį rudenį. Pirma, HP/UCLA grupė paskelbė dokumentą, kuriame aprašoma, kas iš tikrųjų yra molekulinis saugiklis – vienkartinis jungiklis, pagrįstas sudėtinga, hantelio formos organine molekule, vadinama rotaksanu; vėliau mokslininkai sukūrė reversinius jungiklius. Jie taip pat parodė, kaip įrenginys gali atlikti paprastas logikos ir atminties funkcijas. Per kelis mėnesius Yale/Rice bendradarbiavimas nukonkuravo šį žygdarbį, aprašydamas kitų organinių molekulių, veikiančių kaip elektroniniai prietaisai, sintezę.

Nepaisant molekulinių duomenų skirtumų, dvi mokslinių tyrimų grupės naudojasi tais pačiais kvantiniais efektais, kurie ilgainiui gali nustatyti pagrindines silicio puslaidininkių ribas. Molekulės, skiriančios du elektrodus, paprastai blokuotų srovės tekėjimą. Tačiau atskirų molekulių nanopasaulyje elektronai gali tuneliu prasiskverbti pro barjerą, kuris, remiantis klasikine fizika, turėtų užblokuoti jų kelią. Manipuliuodami įtampa, esančia per elektrodus, mokslininkai gali reguliuoti tuneliavimo greitį ir taip įjungti arba išjungti srovę.

Reedas jau pradėjo galvoti, kaip panaudoti molekulinius prietaisus kartu su įprastiniu siliciu. Pavyzdžiui, vieno tipo kvantinės logikos vartai, kuriuos neseniai sukūrė Reedas, atliktų tą pačią specializuotą funkciją kaip ir septyni daug didesni silicio tranzistoriai, žymiai sumažindami integrinio grandyno dydį ir energijos suvartojimą. Ir nors įprastų tranzistorių gamyba reikalauja sudėtingo ir brangaus apdorojimo, molekulinį įrenginį galima priklijuoti prie grandinės, sako Reedas.

Molekulės taip pat galėtų suteikti itin pigią elektroninę atmintį su kai kuriomis patraukliomis savybėmis. Labiausiai paplitęs puslaidininkinės atminties tipas vadinamas DRAM, skirta dinaminei laisvosios kreipties atminčiai. (Tai yra trumpalaikė atmintis, kuria naudojasi jūsų kompiuteris, kai jame veikia programa.) DRAM problema yra ta, kad saugoma informacija išgaruoja, kai išjungiamas maitinimas, ji nepastovi. Dėl šios priežasties turite paleisti „Windows“ kiekvieną kartą, kai įjungiate kompiuterį, perkeldami programą iš standžiojo disko į DRAM lustus. Tačiau eksperimentinis molekulinis prietaisas, kurį Reedas pagamino praėjusį rudenį, saugo duomenis daugiau nei 10 minučių po maitinimo išjungimo. Tarkime, kad galime tai pasiekti iki kelerių metų, sako Reedas. Iš esmės tai būtų nepastovi atmintis. Įsivaizduokite, kiek kartų jums nereikės paleisti „Windows“.

Nors šios ankstyvosios programos yra labai toli nuo milijardinių tranzistorių molekulinių kompiuterių, kuriuos įsivaizduoja entuziastai, jie gali parodyti organinių molekulių, kaip elektroninės medžiagos, vertę. Jie yra kupranugario nosis po palapine, sako Reedas ir priduria, kad šie hibridiniai įrenginiai jau yra labai tikroviški. Jie yra pirmasis žingsnis kelyje į sudėtingesnes [molekulines] grandines.

Tačiau tikėtina, kad tai bus ilgas kelias. Net iki paprasto kompiuterio, pagaminto iš molekulinių komponentų, reikia mažiausiai dešimtmečio – ir tik tada, jei būsime tikrai sumanūs, pripažįsta Williamsas. Tačiau HP chemikas sako, kad jo grupė jau pakeliui. Savo pradiniuose prototipuose Kalifornijos mokslininkai pagamino viršutinius ir apatinius metalinius laidus kaip statmenas groteles, sukurdami skersinio strypo struktūrą, kurioje molekulės yra laidų sankryžose. Iki šiol grupė gamino prietaisus su metaliniais kontaktais, kurių skersmuo yra tūkstančiai nanometrų; kiekvienoje sandūroje yra milijonai molekulių. Tačiau Williamsas teigia, kad vėliau šiais metais grupė tikisi turėti kelių nanometrų skersmens laidus. Nebuvo prasmės viską daryti iš karto sunkiai. Taigi naudojome daug didesnius laidus. Dabar atliekame eksperimentus, norėdami pereiti prie mažesnių laidų ir atlikti matavimus.

Beveik tobuli tokių mažų laidų kandidatai yra struktūros, žinomos kaip anglies nanovamzdeliai. Šie taisyklingos formos vamzdžiai, kurių skersmuo yra tik keli nanometrai, galėtų būti puikūs kanalai elektronams, greitai besisukantiems per molekulinę grandinę. Problema ta, kad nanovamzdeliai linkę formuotis kaip susivėlusi netvarka – toli nuo tvarkingai sutvarkytų matricų, reikalingų sudėtingoms grandinėms sukurti. Bet kokių konstrukcijų kūrimas naudojant nanovamzdelius dabar yra meno forma, sako fizikas Paulas McEuenas iš Kalifornijos universiteto Berklyje. Mes iš esmės metame juos ant žemės ir ieškome norimos [konstrukcijos].

HP/UCLA grupė įsitikinusi, kad išspręs laidų problemą. Galų gale bus naudojami nanovamzdeliai. Jų elektroninės ir fizinės savybės yra tokios pageidaujamos, sako Williamsas. Kol kas, anot jo, grupė taip pat dirba su silicio nanolaidais. Ir, žada Williamsas, su anglies nanovamzdeliais arba be jų, iki vasaros pabaigos mokslininkai sumažins įrenginių jungtis iki mažesnių nei 10 nanometrų. Artimiausiu metu taikiniai yra 16 bitų atmintis, kurios šonas yra 100 nanometrų, ir netrukus po to panašaus dydžio loginis įrenginys. Šios elementarios grandinės gali nekelti pavojaus silicio viešpatavimui, tačiau jos gali būti svarbus įvykis, padedantis įrodyti, kad molekulinė elektronika yra įmanoma.

Bet tada ateina tikrai bauginanti dalis: šiuos paprastus įrenginius paversti sudėtingomis loginėmis grandinėmis ir integruoti į tikrą kompiuterį. Viena iš nuobaudų, kurias mokate už chemijos pagrindu pagamintą mikroelektroniką, yra ta, kad, skirtingai nei silicio lustai, pagaminti aukštųjų technologijų gamyklose, cheminių medžiagų talpose susintetinti molekuliniai prietaisai iš prigimties bus kupini defektų. Atskirų molekulių skalėje chemija yra skirta statistiniams svyravimams – kartais ji veikia, o kartais ne. Tačiau būtent čia HP/UCLA mokslininkai tvirtina, kad padarė svarbiausią proveržį.

Jų atsakymas: programinė įranga, kuri pašalina defektus. Prieš keletą metų HP kompiuterių mokslininkai sukūrė superkompiuterį, pavadintą Teramac, naudodami sugedusias silicio lustus, kurie buvo tokie ydingi, kad buvo laikomi beverčiais. HP mokslininkai šiuos atmestus lustus sujungė į kompiuterį, sukurdami skersinio architektūrą, leidžiančią sujungti bet kokią įvestį su bet kokia išvestimi. Sukūrus aparatinę įrangą, kompiuteris buvo užprogramuotas taip, kad nustatytų ir pašalintų visus defektus. Sistema veikė – jos didžiulis lygiagretumas suteikė archetipą, kurį Kalifornijos mokslininkai planuoja panaudoti savo molekuliniam kompiuteriui.

Chemikas, dirbantis kompiuteriu, yra keistas dalykas. Negalite kreiptis į chemiką ir paprašyti jų sukurti kompiuterio, sako Heathas, vienas iš UCLA mokslininkų, padedančių susintetinti reikiamus komponentus. Tačiau, pasak jo, „Teramac“ architektūra suteikė HP/UCLA grupei aiškiai apibrėžtą tikslą. Programinė įranga pavers jį mašina, sako Heathas. Jis pripažįsta, kad šis molekulinis kompiuteris gali būti toli. Tačiau nėra jokios priežasties, kodėl tai neveiks.

Pasaulis tarp

Nors tokie žmonės, kaip Heathas, yra stulbinantys, technologija turi savų abejonių. Molekulinės elektronikos sritis yra įsimylėjusi save, sako Rickas Lytelis, „Sun Microsystems“ kompiuterių mokslininkas. Nepaisant skepticizmo, Lytel atidžiai stebi „Sun“ lauką ir kuria specifikacijas, skirtas išbandyti ir įvertinti molekulinių įrenginių prototipus. Jis mano, kad molekulinė elektronika ilgainiui galėtų būti panaudota kaip atminties įrenginiai. Tačiau Lytelis sako, kad daugelis jo kolegų šioje srityje apgaudinėja save galvodami, kad jie yra tik žingsnelis nuo rinkos.

Netgi tikintieji molekulinės elektronikos perspektyvomis nesutaria vieni su kitais dėl technologijos vaidmens skaičiavimuose ir elektronikoje. Paimkime Marką Ratnerį, Šiaurės Vakarų universiteto chemiką, kuris paprastai laikomas vienu iš šios srities senelių. Ratneris abejoja, kad molekulės kada nors tiesiogiai konkuruos su siliciu atliekant sudėtingas skaičiavimo užduotis. Norite naudoti molekules tam, ką jos daro geriausiai, ir kompensuoti silicio trūkumą, sako Ratneris. Visų pirma jis atkreipia dėmesį į jų gebėjimą atpažinti kitas molekules ir į jas reaguoti. Sujungę šias funkcijas su naujai sukurtomis elektroninėmis savybėmis, galite sukurti mažyčius jutiklius ir vykdymo įtaisus, kurie aptiktų ir protingai reaguoja į biologinius ir cheminius įkalčius. Ratnerio teigimu, tai gali sudaryti galimybę implantuoti biolustus su jutikliais ir pavaromis, pagamintais iš molekulinės elektronikos, kurie suvokia kūno poreikius ir reaguoja išleidžiant atitinkamą vaistų dozę.

Šiam molekulinės elektronikos pradininkui tikrasis šios srities potencialas galėtų būti realizuotas sujungiant mikroelektronikos pasaulį su biologijos ir molekulių pasauliu. Molekulinė elektronika, teigia Ratner, galėtų būti ta galvosūkio dalis, kuri pagaliau padeda įveikti materialų atotrūkį tarp biologijos ir skaičiavimo.

Molekulinis mėginių ėmiklis Organizacija Pagrindiniai tyrinėtojai Fokusas Delfto technologijos universitetas Cees Dekker Anglies nanovamzdelių naudojimas kaip nanolaidai ir elektroniniai prietaisai; sukūrė tranzistorių iš vieno nanovamzdelio Harvardo universitetas Charlesas Lieberis Sintetina anglies nanovamzdelių matricas, kurios gali veikti ir kaip laidai, ir kaip elektroniniai prietaisai Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Cheminis perkonfigūruojamų atminties ir logikos jungiklių matricų surinkimas; tikslas – sukurti molekulinį kompiuterį IBM Research Phaedon Avouris Nanovamzdelių savybių tyrimas; sukūrė tranzistorių iš vieno nanovamzdelio Rice University James Tour Kuria savarankiškai surinktą kompiuterį su labai sujungtu logikos ir atminties tinklu; susintetino molekules su pageidaujamomis savybėmis Kolorado universitetas Josef Michl Molekulinio kompiuterio kūrimas; sukūrė tinkamas molekules ir trumpus laidus Jeilio universitetas Markas Reedas, bendradarbiaudamas su Rice universitetu kurdamas molekulinį kompiuterį; pagamino molekulinius jungiklius ir atminties įrenginius

paslėpti