Obliczenia molekularne

Dla Marka Reeda przyszłość elektroniki molekularnej właśnie nadeszła. Samozwańczy facet od urządzeń, Reed, który kieruje wydziałem elektrotechniki Uniwersytetu Yale, szczyci się tym, że ma wyraźnie praktyczny talent. Zapytaj go o możliwość wykorzystania molekuł do zastąpienia krzemu w komputerach, które są miliardy razy szybsze niż dzisiejsze komputery lub które mieszczą się na główce szpilki, a on się skrzywi. Nie wiem, jak to zrobić. Nie sądzę, żeby ktokolwiek to robił, mówi lekceważąco.

Ale to nie zmniejsza podekscytowania, jakie odczuwa Reed, czołowy badacz elektroniki molekularnej. Używając cząsteczek zsyntetyzowanych przez chemika Rice University Jamesa Toura, Reed stworzył elektroniczne pamięci i prosty element logiczny złożony z cząsteczek, które działają jak małe, indywidualne przełączniki. Urządzenia, które opierają się na małych molekułach organicznych opracowanych przez chemików Rice, aby mieć odpowiednie właściwości elektroniczne, są prymitywnymi eksperymentami laboratoryjnymi. Ale działają - molekuły działające jako składnik w ultramałych urządzeniach elektronicznych zdolnych do włączania i wyłączania prądu. Co więcej, te wczesne prototypy wykazały już wskazówki dotyczące wykonywania sztuczek pamięciowych i logicznych, których nie da się wykonać w przypadku półprzewodników krzemowych.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2000 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Najbardziej imponujące, mówi Reed, jest to, że urządzenia molekularne są zdumiewająco łatwe i potencjalnie tanie w produkcji. Po prostu zanurzasz wafel krzemowy wyłożony metalowymi elektrodami w zlewce wypełnionej odpowiednimi chemikaliami i dajesz molekułom kilka minut na uformowanie się na elektrodach. Jeśli jesteś wystarczająco sprytny w chemii, możliwe jest nakłonienie cząsteczek do spontanicznego zorientowania się na elektrodach. Działa pięknie – i działa za każdym razem, mówi Reed.

To może działać za każdym razem, ale istnieją spore kontrowersje dotyczące tego, do czego te reakcje chemiczne będą kiedykolwiek sprowadzać. Podczas gdy prawdziwi wierzący wyobrażają sobie świat, w którym mikroskopijne komputery molekularne wykonane niskim kosztem dokonują niezwykłych obliczeń, sceptycy uważają, że ta dziedzina straciła z oczu rzeczywisty świat ograniczeń inżynieryjnych. Tymczasem ludzie od urządzeń, tacy jak Reed, myślą, że przyszłość – w postaci wykonalnych prototypów, które można zintegrować z konwencjonalną technologią krzemową – jest teraz.

Podstawową zaletą obliczeń molekularnych jest możliwość umieszczenia w mikroukładzie znacznie większej liczby obwodów niż kiedykolwiek będzie w stanie wykonać krzem – i to taniej. Producenci półprzewodników mogą teraz upchnąć około 28 milionów tranzystorów w chipie, zmniejszając najmniejsze elementy tranzystorów do około 180 nanometrów (miliardowych części metra). Jednak przy użyciu konwencjonalnych metod wytwarzania wiórów im mniejszy jest element, tym proces staje się droższy i trudniejszy. Wielu ekspertów od półprzewodników wątpi, że komercyjne metody produkcji mogą w ekonomiczny sposób sprawić, że tranzystory krzemowe będą znacznie mniejsze niż 100 nanometrów. I nawet jeśli twórcy chipów mogliby wymyślić rozsądny sposób na wytrawienie ich na chipie, ultramałe elementy krzemowe prawdopodobnie nie zadziałałyby: przy rozmiarach tranzystorów około 50 nanometrów elektrony zaczynają przestrzegać dziwnych praw kwantowych, wędrując tam, gdzie są. nie powinno być.

Z drugiej strony cząsteczki mają rozmiar zaledwie kilku nanometrów, dzięki czemu możliwe są chipy zawierające miliardy, a nawet biliony przełączników i komponentów. W początkowych eksperymentach naukowcy umieścili dużą liczbę cząsteczek między metalowymi elektrodami. Urządzenia działają jednak, ponieważ każda cząsteczka działa jak przełącznik. Gdyby można było połączyć ze sobą niewielką liczbę molekuł jako pojedyncze elementy elektroniczne w celu utworzenia obwodów, wynik zmieniłby wszystko w projektowaniu komputerów. Pamięci molekularne mogą mieć gęstość przechowywania milion razy większą niż dzisiejsze najlepsze chipy półprzewodnikowe, dzięki czemu możliwe będzie przechowywanie doświadczeń całego życia w gadżecie wielkości zegarka na rękę. Superkomputery mogą być wystarczająco małe i tanie, aby można je było włączyć do odzieży. Znikną obawy, że technologia komputerowa wkrótce uderzy w ścianę.

Te aplikacje są dziesiątki lat, jeśli kiedykolwiek się zmaterializują. Mimo to, twierdzi Reed, niektóre zastosowania elektroniki molekularnej mogą wkrótce być wykonalne. Ultramałe, tanie urządzenia molekularne mogą znajdować się obok siebie z krzemem, zmniejszając liczbę tranzystorów i moc wymaganą przez obwód. To jest coś, z czego mógłbyś dzisiaj skorzystać, coś, co mógłbyś sprzedać w Radio Shack, mówi Reed. Ma to szansę całkowicie zmienić ekonomię krzemu.

Aby to urzeczywistnić, Reed, Tour i chemicy z Pennsylvania State University założyli wspólnie startup o nazwie Molecular Electronics. Grupa odmawia podania, jakie będą początkowe produkty, ale Tour mówi, że posiadanie działającego systemu za kilka lat nie wydaje się nierealne.

Do niedawna ta prognoza wydawała się naciągana. Ale w ostatnim roku pole przeskoczyło od teorii do sfery praktyki. Podobnie jak ich konkurenci z Yale i Rice, współpraca chemików i informatyków z Zachodniego Wybrzeża z Hewlett-Packard i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, scharakteryzowała ostatnio cząsteczki zdolne do działania jako przełączniki elektroniczne i pamięć (patrz poprzedni numer: Computing After Silicon , TR wrzesień/październik 1999). R. Stanley Williams, który kieruje pracami w HP, mówi, że jego zespół spodziewa się zbudować prototyp obwodu logicznego, który integruje niewielką liczbę urządzeń molekularnych w nanoskali w ciągu 18 miesięcy. Mamy przełączniki i przewody — komponenty do tworzenia prawdziwych nanoobwodów — mówi Williams.

Przepis

Przynajmniej teoretycznie złożenie molekularnego urządzenia elektronicznego jest proste. W wersji receptury preferowanej przez współpracę HP/UCLA naukowcy najpierw tworzą pojedynczą monowarstwę właściwych cząsteczek organicznych w aparacie chemicznym zwanym korytem Langmuira; następnie zanurzają w rynnie podłoże krzemowe pokryte wzorem metalowych elektrod. Jeśli chemia jest odpowiednia, cząsteczki zwiążą się z metalowymi elektrodami, zgrabnie się orientując. Następnie na cząsteczkach osadza się drugi zestaw elektrod; rezultatem jest monowarstwa cząsteczek organicznych umieszczona pomiędzy metalowymi elektrodami.

Wyzwanie polega na tym, że większość cząsteczek organicznych wcale nie jest przewodnikami elektrycznymi, nieważne, że posiadają właściwości elektroniczne, które pozwalają im działać jako skuteczny przełącznik. To, co jest potrzebne, aby system działał elektronicznie, to specjalnie dostosowane cząsteczki, które włączają się i wyłączają wielokrotnie w niezawodny i wykrywalny sposób (właściwości, dzięki którym krzem jest tak skuteczny). Wymyślanie cząsteczek zdolnych do wykonania tej sztuczki jest domeną czarodziejów chemii, takich jak Rice's Tour czy James Heath i Fraser Stoddart z UCLA.

Ich czary zaczęły się w wielkim stopniu opłacać zeszłej jesieni. Po pierwsze, grupa HP/UCLA opublikowała artykuł opisujący to, co w rzeczywistości jest bezpiecznikiem molekularnym – jednorazowym przełącznikiem opartym na złożonej cząsteczce organicznej w kształcie hantli zwanej rotaksanem; naukowcy następnie wykonali odwracalne przełączniki. Pokazali również, jak urządzenie może wykonywać proste funkcje logiczne i pamięciowe. W ciągu kilku miesięcy współpraca Yale/Rice konkurowała z tym wyczynem, opisując syntezę innych cząsteczek organicznych, które działają jak urządzenia elektroniczne.

Pomimo różnic w szczegółach molekularnych, obie grupy badawcze wykorzystują te same efekty kwantowe, które mogą ostatecznie ustalić fundamentalne granice dla półprzewodników krzemowych. Cząsteczki oddzielające dwie elektrody normalnie blokowałyby przepływ prądu. Jednak w nanoświecie pojedynczych molekuł elektrony mogą przebijać się przez barierę, która według fizyki klasycznej powinna blokować ich drogę. Manipulując napięciem umieszczonym na elektrodach, naukowcy mogą regulować szybkość tunelowania, a tym samym włączać i wyłączać prąd.

Reed zaczął już zastanawiać się nad sposobami wykorzystania urządzeń molekularnych w połączeniu z konwencjonalnym krzemem. Na przykład jeden rodzaj bramki logiki kwantowej, który niedawno zbudował Reed, spełniałby taką samą wyspecjalizowaną funkcję, jak siedem znacznie większych tranzystorów krzemowych, znacznie zmniejszając rozmiar i pobór mocy układu scalonego. I chociaż wytwarzanie konwencjonalnych tranzystorów wymaga skomplikowanego i kosztownego przetwarzania, urządzenie molekularne można przykleić do obwodu, mówi Reed.

Cząsteczki mogłyby również zapewnić bardzo tanią pamięć elektroniczną o atrakcyjnych właściwościach. Najpopularniejszym typem pamięci półprzewodnikowej jest DRAM, oznaczający dynamiczną pamięć o dostępie swobodnym. (Jest to pamięć krótkotrwała, na której opiera się komputer, gdy działa program.) Problem z DRAM polega na tym, że przechowywane informacje wyparowują, gdy zasilanie jest wyłączone - jest niestabilne. To jest powód, dla którego musisz uruchamiać system Windows za każdym razem, gdy włączasz komputer, przenosząc program z dysku twardego na układy DRAM. Ale eksperymentalne urządzenie molekularne, które Reed wykonał zeszłej jesieni, przechowuje dane przez ponad 10 minut po wyłączeniu zasilania. Załóżmy, że możemy to osiągnąć nawet przez kilka lat, mówi Reed. Byłaby to zasadniczo pamięć nieulotna. Wyobraź sobie, ile razy nie musiałbyś uruchamiać systemu Windows.

Chociaż te wczesne zastosowania są oddalone o światy od miliardów tranzystorowych komputerów molekularnych, które wyobrażają sobie entuzjaści, mogą one pokazać wartość cząsteczek organicznych jako materiału elektronicznego. To wielbłądzi nos pod namiotem, mówi Reed, dodając, że te hybrydowe urządzenia są już bardzo realistyczne. Są pierwszym krokiem na drodze do bardziej złożonych obwodów [molekularnych].

Prawdopodobnie jednak będzie to długa droga. Williams przyznaje, że nawet prosty komputer złożony z komponentów molekularnych będzie oddalony o co najmniej dekadę – i to tylko wtedy, gdy staniemy się naprawdę sprytni. Ale chemik HP twierdzi, że jego grupa jest już w drodze. W swoich początkowych prototypach naukowcy z Kalifornii wytworzyli górne i dolne metalowe druty jako prostopadłe siatki, tworząc poprzeczną strukturę z cząsteczkami osadzonymi na połączeniach drutów. Do tej pory grupa wykonała urządzenia z metalowymi stykami o średnicy tysięcy nanometrów; na każdym złączu znajdują się miliony cząsteczek. Ale Williams mówi, że jeszcze w tym roku grupa spodziewa się mieć przewody o średnicy kilku nanometrów. Nie miało sensu robić wszystkiego od razu. Użyliśmy więc znacznie większych przewodów. Teraz robimy eksperymenty, aby przejść na mniejsze przewody i dokonać pomiarów.

Niemal idealnymi kandydatami na tak małe druty są struktury znane jako nanorurki węglowe. Te regularnie ukształtowane rury, o średnicy zaledwie kilku nanometrów, mogą być doskonałymi przewodnikami dla elektronów pędzących w obwodzie molekularnym. Problem polega na tym, że nanorurki mają tendencję do tworzenia splątanego bałaganu – daleko od starannie uporządkowanych układów potrzebnych do wytwarzania złożonych obwodów. Budowanie dowolnych struktur z nanorurek jest teraz formą sztuki, mówi fizyk Paul McEuen z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Zasadniczo rzucamy je na ziemię i szukamy struktury, której chcemy.

Grupa HP/UCLA jest przekonana, że ​​rozwiąże problem z okablowaniem. Docelowo zostaną użyte nanorurki. Ich właściwości elektroniczne i fizyczne są tak pożądane, mówi Williams. Na razie, jak mówi, grupa pracuje również nad nanoprzewodami krzemowymi. I obiecuje Williams, z lub bez nanorurek węglowych, do późnego lata naukowcy zmniejszą połączenia urządzeń do mniej niż 10 nanometrów. Celami krótkoterminowymi są 16-bitowa pamięć o boku 100 nanometrów, a wkrótce potem urządzenie logiczne podobnej wielkości. Te podstawowe obwody mogą nie zagrażać panowaniu krzemu, ale mogą być kamieniem milowym w udowodnieniu, że elektronika molekularna jest wykonalna.

Ale potem przychodzi naprawdę zniechęcająca część: przekształcenie tych prostych urządzeń w złożone obwody logiczne i zintegrowanie ich z rzeczywistym komputerem. Jedną z kar, jakie płaci się za wytwarzanie mikroelektroniki opartej na chemii, jest to, że w przeciwieństwie do chipów krzemowych wytwarzanych w zaawansowanych technologicznie zakładach produkcyjnych, urządzenia molekularne syntetyzowane w kadziach z chemikaliami będą z natury pełne defektów. W skali pojedynczych cząsteczek chemia podlega fluktuacjom statystycznym – czasami działa, a czasami nie. Ale to tutaj naukowcy z HP/UCLA twierdzą, że dokonali najważniejszego przełomu.

Ich odpowiedź: oprogramowanie, które pokonuje wady. Kilka lat temu informatycy z HP zbudowali superkomputer o nazwie Teramac, używając wadliwych chipów krzemowych tak wadliwych, że uznano je za bezwartościowe. Naukowcy z HP ulepili te odrzucone chipy w komputerze, opracowując architekturę krzyżową, która umożliwia podłączenie dowolnego wejścia z dowolnym wyjściem. Po zbudowaniu sprzętu komputer został zaprogramowany do identyfikowania i obchodzenia wszelkich usterek. System zadziałał, a jego masowa równoległość zapewniła archetyp, który naukowcy z Kalifornii zamierzają wykorzystać w swoim komputerze molekularnym.

Chemik pracujący na komputerze to dziwna sprawa. Nie możesz iść do chemika i poprosić go o zbudowanie komputera, mówi Heath, jeden z naukowców z UCLA, który pomaga w syntezie niezbędnych komponentów. Ale, jak mówi, architektura Teramaca zapewniła grupie HP/UCLA jasno określony cel. Oprogramowanie zamieni go w maszynę, mówi Heath. Ten komputer molekularny może być daleko, przyznaje. Ale nie ma powodu, dla którego to nie zadziała.

Świat Pomiędzy

Chociaż ludzie tacy jak Heath są optymistyczni, technologia ma swój udział w niedowierzających. Dziedzina elektroniki molekularnej jest zakochana w sobie, mówi Rick Lytel, informatyk w Sun Microsystems. Jednak pomimo swojego sceptycyzmu Lytel bacznie obserwuje teren dla firmy Sun i opracowuje specyfikacje do testowania i oceny prototypowych urządzeń molekularnych. Uważa, że ​​elektronika molekularna może w końcu znaleźć zastosowanie jako urządzenia pamięci. Ale Lytel mówi, że wielu jego kolegów z branży łudziło się, myśląc, że są tylko o krok od rynku.

Nawet wierzący w perspektywy elektroniki molekularnej nie zgadzają się ze sobą w kwestii roli, jaką technologia ta będzie odgrywać w obliczeniach i elektronice. Weźmy na przykład Marka Ratnera, chemika z Northwestern University, który jest powszechnie uważany za jednego z dziadków tej dziedziny. Ratner wątpi, że cząsteczki kiedykolwiek będą konkurować bezpośrednio z krzemem w złożonych zadaniach obliczeniowych. Chcesz wykorzystać cząsteczki do tego, co robią najlepiej i zrekompensować braki krzemu, mówi Ratner. W szczególności wskazuje na ich zdolność rozpoznawania i reagowania na inne molekuły. Łącząc te funkcje z nowo opracowanymi właściwościami elektronicznymi, możesz stworzyć maleńkie czujniki i siłowniki, które wykrywają i inteligentnie reagują na wskazówki biologiczne i chemiczne. Ratner mówi, że może to umożliwić wszczepialne biochipy zawierające czujniki i siłowniki wykonane z elektroniki molekularnej, które wyczuwają potrzeby organizmu i reagują, uwalniając odpowiednią dawkę leku.

W przypadku tego pioniera elektroniki molekularnej prawdziwy potencjał tej dziedziny można wykorzystać w połączeniu świata mikroelektroniki ze światem biologii i molekuł. Ratner sugeruje, że elektronika molekularna może być elementem układanki, który w końcu pomoże wypełnić lukę materialną między biologią a informatyką.

Próbnik molekularny Organizacja Kluczowi badacze Centrum Politechnika w Delft Cees Dekker Wykorzystanie nanorurek węglowych jako nanoprzewodów i urządzeń elektronicznych; zbudował tranzystor z pojedynczej nanorurki Harvard University Charles Lieber Syntetyzuje macierze nanorurek węglowych, które mogą działać zarówno jako przewody, jak i urządzenia elektroniczne Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Chemiczne składanie macierzy rekonfigurowalnych przełączników pamięci i logiki; celem jest budowa komputera molekularnego IBM Research Phaedon Avouris Badanie właściwości nanorurek; zrobił tranzystor z pojedynczej nanorurki Rice University James Tour Opracowanie samoskładającego się komputera z wysoce połączoną siecią logiki i pamięci; zsyntetyzował cząsteczki o pożądanych właściwościach University of Colorado Josef Michl Budowa komputera molekularnego; stworzył odpowiednie molekuły i krótkie przewody Uniwersytet Yale Mark Reed współpracuje z Rice University w celu zbudowania komputera molekularnego; wyprodukował przełączniki molekularne i urządzenia pamięci

ukryć