Наближається ера молекулярної електроніки

Олександр Трубіцин

Зроблено ще один крок у створенні приладів, які в недалекому майбутньому прийдуть на заміну сучасним кремнієвим мікросхем. 23 січня 2002 компанія Hewlett-Packard (http://www.hp.com) і Каліфорнійський університет UCLA (http://www.ucla.edu) оголосили про те, що ними отриманий патент США на технологію створення складних логічних мікросхем молекулярного рівня, виробництво яких, як вони обіцяють, буде простим і дешевим.

Більшість експертів вважають, що приблизно через 10 років технологія кремнієвих мікросхем досягне фізичних і економічних меж свого розвитку. Тоді вартість будівництва заводу з виробництва передових процесорів складе 50 млрд. дол проти нинішніх 2 млрд. Тому зараз ведеться інтенсивний пошук більш дешевої технології, яка зможе забезпечити розробку більш компактних, швидких і менш енергоспоживаючих обчислювальних пристроїв. Одним з напрямків є створення ключів, що складаються з декількох молекул.

Патент США 6 314 019 B1 Molecular-Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications ( "Коммутатор межз'єднань з молекулярними провідниками для маршрутизації сигналів та комунікацій ") виданий Філіпу Кьюкесу, Стенлі Уільямса (HP Labs) і Джеймсу Хіту (університет UCLA). Цей документ являє собою важливу віху в дослідженні, яке проводиться за грантом агентства DARPA (http://www.darpa.mil/MTO/mole/index.html) за фінансової підтримки HP в напрямку розвитку молекулярної електроніки (молетронікі, або наноелектроніки). Результатом цієї роботи має бути створення до 2005 р. пристрої пам'яті об'ємом 16 Кбіт осередками у вигляді окремих молекул.

В рамках цього дослідження вже отримано кілька важливих патентів.

Сучасний процес виготовлення мікросхем включає численні точні операції формування складного малюнка розводки комп'ютерних мікросхем. Винахід HP і UCLA пропонує використовувати просту грати, що складається з двох взаємно перпендикулярних груп паралельних провідників. Кожен провідник має ширину 6-10 атомів і висоту 2 атома. У вузлах перетинів знаходяться молекули, стан (і провідність) яких може змінюватися в залежності від прикладеної напруги. Така молекула являє собою аналог транзистора.

Співробітники HP Labs раніше продемонстрували в лабораторних умовах, як з деяких рідкоземельних елементів при хімічній взаємодії з кремнієвої підкладкою формуються наноскопіческіе паралельні провідники. З двох наборів таких провідників, перпендикулярно орієнтованих щодо один одного, можна сформувати грати.

В іншому експерименті цієї ж серії дослідники побудували решітку з провідників, які мають ті ж розміри, що й провідники в сучасних мікросхемах комп'ютерів, і помістили між ними Мономолекулярний шар електрично комутованих молекул - так званих ротаксанов. При подачі на ці молекули електричного сигналу відкривався простий логічний вентиль. За цей винахід колектив був удостоєний Фейнмановские призу в області нанотехнологій.

Крім того, HP і університет UCLA спільно запатентували мікросхему пам'яті на основі молекулярних комутаторів. Журнал Technology Review, що видається Массачусетським технологічним інститутом, назвав цей патент (6 128 214, Molecular Wire Crossbar Memory) одним з п'яти найбільш важливих подій 2000

"Дана робота вперше продемонструвала можливість використання молекул як електронних пристроїв для логічної схеми комп'ютера ", - говорить професор хімії університету UCLA і директор Каліфорнійського інституту наносистем Джеймс Хіт.

"Її результати доводять, що в майбутньому програмування може замінити що використовуються зараз складні точні методи виробництва комп'ютерних мікросхем, - Вторить йому старший дослідник і системний архітектор HP Labs Філіп Кьюкес. - Після складання базової решітки шляхом програмування можна реалізувати дуже складну логічну схему, виставивши електричними сигналами потрібні комутатори в молекулярній структурі ".

Але хоча попередні експерименти привели до створення простих логічних схем, ще не було подолано основна перешкода, не дозволяло реалізувати всі переваги нової технології та створити більш складні мікросхеми, які можна було б використовувати на практиці.

"Проблема полягала в тому, що в єдиній великій решітці відбувається взаємодія всіх електричних сигналів, - розповів директор з квантових технологій HP Labs Стенлі Вільямс. - Уявіть, що в Манхеттені відключать всі світлофори і заборонять їздити зі швидкістю менше 30 миль на годину, - в результаті утворюється гігантська пробка. Відрізки провідників подібно світлофорам регулюють трафік, дозволяючи переміщувати інформацію (пасажирів) між будь-якими двома точками грати ".

Нове винахід передбачає поділ провідників на короткі сегменти за рахунок перетворення деяких "перехресть" в ізолятори. "Ви просто поділяєте місто на кілька районів. Усередині кожного району будуть маленькі вулиці, а великі райони з'єднають між собою ", - пояснив пан Вільямс.

Ізолятори виходять за допомогою "відтинають провідників", які за складом відрізняються від звичайних. Різниця потенціалів на відкидати й основному провіднику і створює ізоляцію.

Управління цими напруженнями та зарядами в минулому році було запатентовано Уїльямсом і Кьюкесом (патент США 6 256 767, Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar), розробив метод інтеграції молекулярних пристроїв у вироблені зараз мікросхеми, чиї компоненти приблизно на два порядки більше за розмірами. Спрощено цей процес можна представити як спеціальну технологію демультиплексування, коли за допомогою хімічних процесів мікросхеми, отримані літографічні способом, з'єднуються з провідниками, що мають розміри у кілька нанометрів. У результаті була вирішена дуже важлива в практичному сенсі завдання організації ефективного введення-виведення інформації по відношенню до таких молекулярною структурам. Аналогічна задача для квантових комп'ютерів поки що не вирішена.

За Як видно, зараз наближається остання технологічна революція в електроніці: елементарні пристрої виходять на рубіж молекул, після чого подальший рух у цьому напрямі стане неможливим.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.computer-museum.ru/