Если компьютерные технологии продолжат развиваться с той же скоростью, с какой они делают это в наши дни, буквально через десять лет можно ожидать, что компьютеры станут в 1000 раз более мощными. Жесткие диски смогут в 10000 раз хранить больше информации. Вполне вероятно, что этот прорыв не будет связан с кремниевыми микросхемами, которые уже достигают предела своих возможностей.
Уроки от природы
В попытке построить компьютеры с детализацией на молекулярном уровне ученые копируют природу. Молекулярные сборки являются основным компонентом для создания нанокомпьютеров (биокомпьютеров, молекулярных компьютеров).
В настоящее время в компьютерных технологиях доминирует «нисходящий подход», предполагающий удаление лишнего материала с больших объектов. Так, например, при создании кремниевых микросхем используется литография. Но эта методика не позволяет уменьшить электронные компоненты до размеров атома.
Поэтому, чтобы получить более быстрые и мощные компьютеры завтрашнего дня, ученые обратились к «восходящему подходу». Он основывается на самосборке молекулярных структур. Эта идея была взята из природы, которая использует различные строительные блоки при создании молекул нуклеиновых кислот.
Процесс протекания самостоятельной сборки молекул будет обусловлен следующими условиями:
- термодинамические факторы (сила взаимодействия молекул);
- кинетические факторы (скорость сборки);
- силы, удерживающие всю структуру вместе.
История создания компьютеров на молекулярной основе
Еще в 1974 году студент Марк Ратнер и его научный руководитель Ариех Авирам сообщали о возможности миниатюризации электронных компонентов до размеров молекулы. Авирам предложил революционную идею по замене кремниевых транзисторов и диодов отдельными органическими молекулами.
При этом была теоретически описана исходная точка для такой научной революции – «молекулярный выпрямитель». Исходя из названия, данное устройство предназначено для преобразования переменного тока в постоянный.
Однако идея Ратнера и Авирама первоначально не нашла должной поддержки и канула в небытие. Только спустя несколько лет, в начале 80-х годов небольшая группа ученых занялась их трудами и начала воплощать их в жизнь. В это время и зародилась молекулярная электроника.
Этапы развития молекулярной электроники
За время своего существования наиболее существенные прорывы в области молекулярных компьютеров характеризуются тремя периодами: 1974 год (зарождение), 80-е годы прошлого века (возобновление исследований), начало 2000-х годов 21 века (ряд прорывов и изобретений). В 2015 году бурный рост в этой области немного замедлился, что пока не позволяет говорить о том, что в ближайшем будущем кремниевые компоненты будут вытеснены молекулярными.
Так каких характеристик молекулярных компьютеров позволят достичь новые технологии? Ответ на этот вопрос лежит на поверхности. В первую очередь это существенное уменьшение размеров, повышенное быстродействие и расширение памяти.
Суть революции Авирама и Ратнера
Молекулу предполагается рассматривать как полупроводниковый диод. Одна часть ее выступает в качестве донора электронов и является аналогом n-области диода. Вторая часть выступает в качестве получателя электронов и соответствует p-области диода. При приложении напряжения к краям молекулы электроны начнут перемещаться из одного ее конца в другой. Приложение напряжения с противоположным знаком будет препятствовать перемещению электронов.
В доказательство своей концепции американские ученые предложили модель молекулярного выпрямителя. Он представляет собой отдельную молекулу, в одном конце которой протекает переменный ток, а в другом – постоянный.
Несмотря на то, что данное предложение было опубликовано в журнале Time, научное сообщество в то время проявило к нему мало интереса. И только в конце 70-х годов прошлого века интерес к этой теме проявил химик научно-исследовательской лаборатории ВМС США Форест Картер.
Строительство компьютеров с применением молекулярных технологий
Основой практически любого электронного устройства в наши дни является такой компонент, как транзистор. Компьютерные технологии ближайших лет будут направлены на уменьшение размеров этого компонента.
На рисунке показано применение кластера молекул для создания квантованного и управляемого потока зарядов при комнатной температуре.
Транзистор имеет три участка – базу, коллектор и эмиттер. Когда ток протекает между коллектором и эмиттером, транзистор открыт. Напряжение, приложенное к базе, при этом превышает некоторое пороговое значение. Когда к ней прилагается напряжение меньше порогового значения, транзистор закрывается.
При создании молекулярных устройств планируется использовать те же принципы. Устройства, построенные на молекулах, как и кремниевые транзисторы, будут иметь переключательные функции.
Логический вентиль от IBM
Молекулярный логический вентиль состоит из двух молекул нафталоцианина, которые сканируются кончиком низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа. При прохождении импульса напряжения из одного конца молекулы в другой два атома водорода в смежных молекулах (показаны белым цветом в центре молекулы) изменят свое положение.
При этом вся молекула переключится из состояния «включено» в «выключено». Данное устройство будет представлять собой логический вентиль – один из основных компонентов компьютерных чипов и строительный блок для молекулярных компьютеров.
Область применения молекулярных компонентов
Блочные ансамбли нашли свое применение при создании дисплеев. К последним достижениям в области молекулярной электроники относятся светоизлучающие диоды, состоящие из одной молекулы, и транзисторы на углеродных нанотрубках, связанные с кремнием в монолитной интегральной микросхеме.
Ученые из Еврейского университета Иерусалима предложили создавать молекулярные нанопровода на основе ДНК. Они будут альтернативой медных проводам. В Колумбийском университете Нью-Йорка посчитали коэффициент выпрямления диода на отдельной молекуле – он составил более 200 раз.
Исследователи Университета Йювяскюля (Финляндия) разработали молекулярную память компьютера. Этот вид памяти может запоминать направление магнитного поля в течение продолжительного периода времени, после того как будет выключен при экстремально низких температурах. В будущем это открытие позволит увеличить емкость жестких дисков, не увеличивая при этом их размеры.
Компьютеры будущего
Несмотря на то, что в области молекулярной электроники совершен ряд прорывов, фото молекулярного компьютера в сети Интернет найти не удастся. Это потому, что пока еще не существует самого компьютера на такой технологии.
Но уже в ближайшем будущем можно ожидать изобретения молекулярных компьютеров. Они принадлежат архитектуре фон Неймана, в этом уже можно быть уверенными сейчас. Это объясняется тем, что молекулы должны заменить электронные компоненты, а структура компьютера пока останется неизменной.
Материалы для молекулярной электроники
1. Полиацетилен.
2. Полифенилен-винилен.
3. Полипиррол (X=NH) или политиофен (X=S).
4. Полианилин (X = NH/N) или полифенилен-сульфид (X=S).
