Molekulární výpočetní technika

Pro Marka Reeda právě nastala budoucnost molekulární elektroniky. Reed, který vede katedru elektrotechniky na Yaleově univerzitě, se chlubí tím, že má zřetelně praktické vlastnosti. Zeptejte se ho na možnost jednoho dne pomocí molekul nahradit křemík v počítačích, které jsou miliardykrát rychlejší než dnešní počítače nebo které se vejdou na špendlíkovou hlavičku, a on se zašklebí. nevím jak na to. Myslím, že to nikdo nedělá, říká odmítavě.

Ale to nezmenšuje vzrušení, které Reed, přední výzkumník v molekulární elektronice, cítí. Pomocí molekul syntetizovaných chemikem Jamesem Tourem z Rice University Reed vyrobil elektronické paměti a jednoduchý logický prvek složený z molekul, které fungují jako malé, jednotlivé spínače. Zařízení, která se spoléhají na malé organické molekuly přizpůsobené chemikům Riceové tak, aby měly ty správné elektronické vlastnosti, jsou hrubé laboratorní experimenty. Ale fungují – molekuly fungující jako součást ultramalých elektronických zařízení, která jsou schopna zapínat a vypínat proud. A co víc, tyto rané prototypy již ukázaly náznaky provádění paměťových a logických triků, které nejsou možné u křemíkových polovodičů.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z května 2000

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Nejpůsobivější, říká Reed, je, že molekulární zařízení jsou překvapivě snadno a potenciálně levná. Jednoduše ponoříte křemíkový plátek obložený kovovými elektrodami do kádinky naplněné správnými chemikáliemi a dáte molekulám pár minut, aby se na elektrodách vytvořily. Pokud jste dostatečně chytří v chemii, je možné přimět molekuly, aby se spontánně orientovaly na elektrodách. Funguje to krásně – a funguje to pokaždé, říká Reed.

Může to fungovat pokaždé, ale existuje značná kontroverze o tom, k čemu tyto chemické reakce kdy budou. Zatímco skuteční věřící si představují svět, ve kterém mikroskopické molekulární počítače vyrobené za nízkou cenu provádějí pozoruhodné výpočty, skeptici si myslí, že tento obor ztratil ze zřetele skutečný svět technických limitů. Mezitím si lidé ze zařízení jako Reed myslí, že budoucnost – v podobě funkčních prototypů, které lze integrovat s konvenční křemíkovou technologií – je nyní.

Hlavní výhodou molekulárního počítání je potenciál zabalit mnohem více obvodů na mikročip, než kolik bude kdy schopen křemík – a udělat to levně. Výrobci polovodičů nyní mohou na čip nacpat asi 28 milionů tranzistorů zmenšením nejmenších prvků tranzistorů na přibližně 180 nanometrů (miliardtiny metru). Při použití konvenčních metod výroby čipů však čím menší prvek vytvoříte, tím dražší a obtížnější se proces stává. Mnoho polovodičových odborníků pochybuje, že komerční výrobní metody mohou ekonomicky vyrobit křemíkové tranzistory mnohem menší než 100 nanometrů. A i kdyby výrobci čipů dokázali vymyslet rozumný způsob, jak je vyleptat na čip, ultramalé křemíkové součástky by pravděpodobně nefungovaly: Při rozměrech tranzistorů kolem 50 nanometrů se elektrony začnou řídit podivnými kvantovými zákony a budou putovat tam, kde jsou. neměl být.

Molekuly jsou na druhé straně velké jen několik nanometrů, což umožňuje čipy obsahující miliardy, dokonce biliony spínačů a komponent. V počátečních experimentech vědci vložili velké množství molekul mezi kovové elektrody. Zařízení však fungují, protože každá molekula funguje jako spínač. Pokud by bylo možné spojit malý počet molekul dohromady jako jednotlivé elektronické součástky za účelem vytvoření obvodů, výsledek by změnil vše v počítačovém designu. Molekulární paměti by mohly mít milionkrát větší hustotu úložiště než dnešní nejlepší polovodičové čipy, což by umožnilo ukládat zážitky na celý život do přístroje o velikosti náramkových hodinek. Superpočítače by mohly být dostatečně malé a dostatečně levné na to, aby je bylo možné začlenit do oblečení. Zmizely by obavy, že výpočetní technika brzy narazí na zeď.

Tyto aplikace jsou o desetiletí vzdáleny, pokud se vůbec uskuteční. Přesto Reed tvrdí, že některá použití molekulární elektroniky by mohla být brzy proveditelná. Ultramalá, levná molekulární zařízení by mohla sedět vedle sebe s křemíkem, což by snížilo počet tranzistorů a výkon požadovaný obvodem. To je něco, co byste mohli použít dnes, něco, co byste mohli prodávat v Radio Shack, říká Reed. To má šanci zcela změnit ekonomiku křemíku.

Aby se to stalo skutečností, Reed, Tour a chemici z Pennsylvania State University spoluzaložili startup s názvem Molecular Electronics. Skupina odmítá říci, jaké budou počáteční produkty, ale Tour říká, že mít funkční systém za pár let se nezdá nereálné.

Až donedávna se tato předpověď zdála přitažená za vlasy. Ale v posledním roce tento obor udělal skok od teorie do říše praktické. Stejně jako jejich konkurenti v Yale a Rice, spolupráce chemiků a počítačových vědců z Hewlett-Packard a University of California v Los Angeles na západním pobřeží nedávno charakterizovala molekuly schopné fungovat jako elektronické spínače a paměť (viz minulé vydání: Computing After Silicon , TR září/říjen 1999). R. Stanley Williams, který stojí v čele úsilí v HP, říká, že jeho tým očekává, že během 18 měsíců postaví prototyp logického obvodu, který integruje malý počet nanomolekulárních zařízení. Máme spínače a dráty – součásti, které skutečně vytvoří skutečné nanoobvody, říká Williams.

Recept

Alespoň teoreticky je sestavení molekulárního elektronického zařízení jednoduché. Ve verzi receptury, kterou upřednostňuje spolupráce HP/UCLA, vědci nejprve vytvoří jedinou monovrstvu správných organických molekul v chemickém zařízení zvaném Langmuirův žlab; poté ponoří do žlabu křemíkový substrát pokrytý vzorem kovových elektrod. Pokud je chemie správná, molekuly se navážou na kovové elektrody a úhledně se orientují. Druhá sada elektrod je pak nanesena na molekuly; výsledkem je monovrstva organických molekul vložená mezi kovové elektrody.

Problém je v tom, že většina organických molekul vůbec nejsou elektrické vodiče – nevadí, že mají elektronické vlastnosti, které jim umožňují fungovat jako účinný spínač. K tomu, aby systém fungoval elektronicky, jsou potřeba speciálně upravené molekuly, které se opakovaně zapínají a vypínají spolehlivým a detekovatelným způsobem (vlastnosti, díky kterým je křemík tak úspěšný). Vymýšlet molekuly, které jsou schopné tento trik, je doménou chemických kouzelníků, jako jsou Rice’s Tour a James Heath a Fraser Stoddart z UCLA.

Jejich čarodějnictví se začalo ve velkém vyplácet loni na podzim. Nejprve skupina HP/UCLA zveřejnila článek popisující to, co je ve skutečnosti molekulární fúze – jednorázový přepínač založený na složité organické molekule ve tvaru činky zvané rotaxan; vědci následně provedli reverzibilní přepínače. Ukázali také, jak může zařízení provádět jednoduché logické a paměťové funkce. Během měsíců spolupráce Yale/Rice konkurovala tomuto výkonu popisem syntézy dalších organických molekul, které fungují jako elektronická zařízení.

Navzdory rozdílům v molekulárních detailech tyto dvě výzkumné skupiny využívají stejných kvantových efektů, které by nakonec mohly stanovit základní limity pro křemíkové polovodiče. Molekuly oddělující dvě elektrody by normálně blokovaly tok proudu. V nanosvětě jednotlivých molekul ale mohou elektrony tunelovat bariérou, která by jim podle klasické fyziky měla blokovat cestu. Manipulací s napětím umístěným na elektrodách mohou vědci upravit rychlost tunelování a tím zapnout nebo vypnout proud.

Reed již začal vymýšlet způsoby, jak využít molekulární zařízení v kombinaci s konvenčním křemíkem. Jeden typ kvantového logického hradla, který Reed nedávno postavil, by například plnil stejnou specializovanou funkci jako sedm mnohem větších křemíkových tranzistorů, čímž by se výrazně snížila velikost a spotřeba energie integrovaného obvodu. A zatímco výroba konvenčních tranzistorů vyžaduje složité a drahé zpracování, molekulární zařízení lze k obvodu přilepit, říká Reed.

Molekuly by také mohly poskytnout ultralevnou elektronickou paměť s některými atraktivními vlastnostmi. Nejběžnější typ polovodičové paměti se nazývá DRAM, pro dynamickou paměť s náhodným přístupem. (Toto je krátkodobá paměť, na kterou se váš počítač spoléhá, ​​když je na něm spuštěn program.) Problém s DRAM spočívá v tom, že uložené informace se vypařují, když je napájení vypnuto – je to nestálé. To je důvod, proč musíte spouštět Windows pokaždé, když zapnete počítač, a přesunete program z pevného disku na čipy DRAM. Ale experimentální molekulární zařízení Reed vyrobené loni na podzim uchovává data déle než 10 minut po vypnutí napájení. Předpokládejme, že to můžeme získat až na několik let, říká Reed. V podstatě by to byla energeticky nezávislá paměť. Představte si, kolikrát byste nemuseli spouštět Windows.

Ačkoli tyto rané aplikace jsou světy daleko od miliardových tranzistorových molekulárních počítačů, které si nadšenci představují, mohly by ukázat hodnotu organických molekul jako elektronického materiálu. Jsou to velbloudí nos pod stanem, říká Reed a dodává, že tato hybridní zařízení jsou již velmi realistická. Jsou prvním krokem na cestě ke složitějším [molekulárním] okruhům.

Je však pravděpodobné, že to bude dlouhá cesta. Dokonce i jednoduchý počítač vyrobený z molekulárních komponent je vzdálen nejméně deset let – a to pouze tehdy, pokud budeme opravdu chytří, uznává Williams. Ale chemik HP říká, že jeho skupina je již na cestě. Ve svých počátečních prototypech kalifornští vědci vyrobili horní a spodní kovové dráty jako kolmé mřížky, čímž vytvořili příčkovou strukturu s molekulami sedícími na spojích drátů. Dosud skupina vyrobila zařízení s kovovými kontakty o průměru tisíců nanometrů; na každém spojení jsou miliony molekul. Ale Williams říká, že koncem tohoto roku skupina očekává, že bude mít dráty o průměru několika nanometrů. Nedávalo smysl dělat všechno tvrdě hned. Takže jsme použili mnohem větší dráty. Nyní provádíme experimenty, abychom přešli na menší dráty a provedli měření.

Téměř dokonalými kandidáty na takové drobné drátky jsou struktury známé jako uhlíkové nanotrubice. Tyto pravidelně tvarované trubky, pouze několik nanometrů v průměru, by mohly být vynikajícími kanály pro elektrony procházející molekulárním okruhem. Problém je v tom, že nanotrubice mají tendenci se tvořit jako spletitý nepořádek daleko od úhledně uspořádaných polí potřebných k výrobě složitých obvodů. Budování jakýchkoli struktur pomocí nanotrubic je nyní uměleckou formou, říká fyzik Paul McEuen z Kalifornské univerzity v Berkeley. V podstatě je hodíme na zem a hledáme [strukturu], kterou chceme.

Skupina HP/UCLA je přesvědčena, že problém s kabeláží vyřeší. Nakonec se použijí nanotrubice. Jejich elektronické a fyzikální vlastnosti jsou tak žádoucí, říká Williams. Zatím říká, že skupina také pracuje na křemíkových nanodrátech. A Williams slibuje, že s uhlíkovými nanotrubičkami nebo bez nich, vědci do konce léta zmenší spoje zařízení na menší než 10 nanometrů. Krátkodobé cíle jsou 16bitová paměť, která má na straně 100 nanometrů, a brzy poté podobně velké logické zařízení. Tyto základní obvody nemusí ohrozit vládu křemíku, ale mohly by být milníkem v pomoci dokázat, že molekulární elektronika je proveditelná.

Ale pak přichází ta skutečně skličující část: přeměna těchto jednoduchých zařízení na složité logické obvody a jejich integrace do skutečného počítače. Jednou z pokut, kterou platíte za výrobu mikroelektroniky založené na chemii, je to, že na rozdíl od křemíkových čipů vyrobených v továrnách na výrobu high-tech budou molekulární zařízení syntetizovaná v nádobách s chemikáliemi ze své podstaty plná defektů. V měřítku jednotlivých molekul je chemie dána statistickým fluktuacím – někdy to funguje a někdy ne. Ale právě zde vědci z HP/UCLA tvrdí, že učinili svůj nejdůležitější průlom.

Jejich odpověď: software, který překonává nedostatky. Před několika lety počítačoví vědci z HP postavili superpočítač nazvaný Teramac, který používal vadné křemíkové čipy tak vadné, že byly považovány za bezcenné. Vědci z HP vložili tyto odmítnuté čipy do počítače vývojem příčné architektury, která umožňuje propojit jakýkoli vstup s jakýmkoli výstupem. Jakmile byl hardware postaven, počítač byl naprogramován tak, aby identifikoval a nasměroval všechny závady. Systém fungoval – a jeho masivní paralelismus poskytl archetyp, který kalifornští vědci plánují použít pro svůj molekulární počítač.

Chemik pracující na počítači je bizarní věc. Nemůžete jít za chemikem a požádat ho, aby sestrojil počítač, říká Heath, jeden z vědců UCLA, který pomáhá syntetizovat potřebné komponenty. Ale říká, že architektura Teramac poskytla skupině HP/UCLA jasně definovaný cíl. Software z něj udělá stroj, říká Heath. Ten molekulární počítač může být daleko, uznává. Ale není důvod, proč by to nešlo.

Svět mezi

Zatímco lidé jako Heath jsou sangviničtí, tato technologie má svůj podíl na pochybách. Oblast molekulární elektroniky je zamilovaná sama do sebe, říká Rick Lytel, počítačový vědec ze Sun Microsystems. Navzdory své skepsi však Lytel pozorně sleduje pole pro Sun a vyvíjí specifikace pro testování a hodnocení prototypů molekulárních zařízení. Věří, že molekulární elektronika by nakonec mohla najít využití jako paměťová zařízení. Ale Lytel říká, že mnoho jeho kolegů v oboru se oklamalo a myslelo si, že jsou jen krůček od trhu.

Dokonce i věřící v vyhlídky molekulární elektroniky se navzájem neshodnou na roli, kterou bude tato technologie hrát ve výpočtech a elektronice. Vezměte si Marka Ratnera, chemika na Northwestern University, který je obecně považován za jednoho z praotců oboru. Ratner pochybuje, že molekuly budou někdy přímo soutěžit s křemíkem ve složitých výpočetních úlohách. Chcete použít molekuly k tomu, co umí nejlépe, a kompenzovat to, kde křemík zaostává, říká Ratner. Zejména poukazuje na jejich schopnost rozpoznat a reagovat na jiné molekuly. Kombinací těchto funkcí s nově vyvinutými elektronickými vlastnostmi můžete vytvořit malé senzory a akční členy, které detekují a inteligentně reagují na biologické a chemické stopy. Podle Ratnera by to mohlo umožnit implantovatelné biočipy obsahující senzory a akční členy vyrobené z molekulární elektroniky, které snímají potřeby těla a reagují vypouštěním vhodné dávky léků.

Pro tohoto průkopníka molekulární elektroniky mohl být skutečný potenciál oboru realizován ve spojení světa mikroelektroniky se světem biologie a molekul. Molekulární elektronika, navrhuje Ratner, by mohla být tím kouskem skládačky, který konečně pomůže překlenout materiální propast mezi biologií a výpočetní technikou.

Molekulární vzorkovač Organizace Klíčoví výzkumníci Zaměřit se Delft University of Technology Cees Dekker Použití uhlíkových nanotrubic jako nanodrátů a elektronických zařízení; vytvořil tranzistor z jediné nanotrubice Harvard University Charles Lieber Syntetizuje pole uhlíkových nanotrubic, které mohou fungovat jako dráty i elektronická zařízení Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Chemické sestavení polí rekonfigurovatelných přepínačů pro paměť a logiku; cílem je postavit molekulární počítač IBM Research Phaedon Avouris Studium vlastností nanotrubiček; vytvořil tranzistor z jediné nanotrubice Rice University James Tour Vývoj samostatně sestaveného počítače s vysoce propojenou sítí logiky a paměti; syntetizoval molekuly s žádoucími vlastnostmi University of Colorado Josef Michl Stavba molekulárního počítače; vyrobil vhodné molekuly a krátké dráty Yale University Mark Reed Spolupráce s Rice University na vybudování molekulárního počítače; má vyrobené molekulární spínače a paměťová zařízení

skrýt