[DaGGoN]

Salve, ALL!
Хотелось бы предложить Вашему вниманию статью
Молекулярные компьютеры
автор - В.И. Минкин доктор химических наук.
Инетересно было бы мнение специалистов ;-) кстати, на сайте статья с иллюстрациями.

Молекулярные компьютеры

О перспективах развития молекулярных компьютеров рассказал на конференции „Современные направления химии“, посвящённой 135-летию Российского химического общества, академик РАН, директор НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета В.И. Минкин. Эта конференция прошла в ноябре 2003 года в Менделеевском центре Санкт-Петербургского университета при поддержке Глобального научного центра „Inno-Centive“.

О молекулярных компьютерах говорят давно. Как далеко продвинулись учёные? Не исчез ли интерес к таким исследованиям? Нет, не исчез, напротив, ими активно занимаются в Америке, в Германии, у нас в стране, и, несмотря на то что перспектива создания серийного компьютера на молекулах всё ещё кажется достаточно отдалённой, некоторые успехи есть. Более того, учёные, работающие в этой области, утверждают, что молекулярные компьютеры придут на смену кремниевым уже через 20–25 лет. А ещё через 10–20 лет будет создано новое поколение ещё более эффективных квантовых компьютеров и ДНК-компьютеров.



Рис. 1 Бистабильные молекулярные системы
Что такое молекулярный компьютер? Это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат так называемые „интеллектуальные молекулы“. Такие молекулы (или молекулярные ансамбли) могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

Особенно интересны такие превращения бистабильных молекул, после которых сильно меняется электронная конфигурация. Например, после изомеризации в молекуле образуется единая сопряжённая электронная система, следовательно, появляется способность проводить электрический ток. Могут меняться и другие свойства: спектры поглощения сдвигаться в видимую область, возникать нелинейные оптические свойства и, что особенно ценно, флуоресценция (рис 1).



Рис. 2 Кремниевый транзистор
Интерес к созданию молекулярных компьютеров не случаен. Производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы. На процессорном чипе современного компьютера расположено до ста миллионов транзисторов, и намного больше разместить уже вряд ли удастся, поскольку доведённые до совершенства технологии их производства достигли своего пика. Транзистор (рис. 2) — это два электрода на кремниевой подложке, ток между которыми регулируется потенциалом, подаваемым на третий управляющий электрод — затвор. Критический элемент кремниевого транзистора, из-за которого нельзя сделать его намного меньше, — толщина изолирующего слоя оксида кремния между затвором и проводящим слоем. Современные технологии уже позволяют сделать его толщиной 0,13 микрон (130 нм), что соответствует примерно 1/1000 толщины человеческого волоса. В перспективе, лет через десять, может быть, удастся достичь толщины 0,09 микрон. Несмотря на то что технологии производства изолирующего слоя оксида кремния совершенствуются и он становится тоньше, у него существует физический предел — не более 4–5 молекул (1,5–2 нм). В более тонких слоях начинаются неконтролируемые процессы туннелирования электронов и перегрева, которые нарушают работу транзисторов и вычислительной системы в целом. Более того, существует предел стабильной концентрации допантов в проводящем слое, и само формирование интегральной схемы с меньшими размерами транзисторов невозможно на базе стандартной техники фотолитографии. В силу квантовых законов травление нельзя осуществить на меньшем масштабе, чем длина полуволны света, а уже сейчас используют жёсткое УФ-излучение.
Современные компьютеры
Молекулярные компьютеры
Размер транзистора — до 100 nm Молекулярный транзистор — 1–10
Транзисторов на 1 см2 — до 107 ~ 1013 на 1 см2
Время отклика — < 10–9 с До 10–15 с
Эффективность — 1 Эффективность — 1011

Ещё в 1959 году Ричард Фейнман указал на то, что молекулы, обладающие определёнными свойствами, смогут работать как переключатели и заменить собой транзисторы („Химия и жизнь“, 2002, № 12), а технический прогресс сделает возможным и манипуляции с отдельными атомами и молекулами. Это предсказание начинает сбываться. Размеры будущего молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Поскольку, как мы уже говорили, производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов, размещаемых на единице площади, то выигрыш в производительности будет огромным. Так, если уменьшить размер транзистора до молекулярных размеров (примерно до одного нанометра), то на единице площади интегральной схемы поместится в миллион раз больше транзисторов (см. таблицу). Если ещё вдобавок к этому время отклика уменьшится до фемтосекунд (на шесть порядков) — а именно таково характеристическое время протекания элементарной стадии химической реакции, — то эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 миллиардов раз выше, чем современного кремниевого.

Архитектура каждого компьютера включает три основных элемента: переключатели, память, соединяющие провода. Все элементы в молекулярных компьютерах будут отличаться от их же аналогов в нынешних вычислительных устройствах. Бистабильные молекулы — переключатели будут управляться световыми и электрическими импульсами или электрохимическими реакциями. Память может работать на принципе „запоминания“ оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряжённые полимеры. Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех основных составляющих компьютера будущего. Рассмотрим их по отдельности.



Рис. 3 Молекулярный переключатель. Переключение происходит при воздействии электрического поля (+2 В; –2 В), а считывание — измерением сопротивления (0,1 В)
Наиболее эффективные молекулярные переключатели основаны на фотохромных соединениях, которые изомеризуются при переходе в высшие возбуждённые электронные состояния. Это может быть процесс цис-транс-изомеризации, перициклических превращений, фотопереноса протона. После переключения кардинально перестраивается электронная конфигурация системы (рис. 1), а её геометрия остаётся практически прежней. Перспективны также топологические изомеры супрамолекул — например, переключатель, описанный Д.Ф. Стоддардом и Д. Хисом, которые сотрудничают с фирмой „Хьюлетт Паккард“ (рис. 3). Монослой молекул катенана помещают между металлическим и кремниевым электродами. После электрохимического окисления супрамолекулы на одной из её частей появляется дополнительный положительный заряд. Поскольку в исходной форме эта часть соседствует с одноимённым зарядом, то после окисления плюсы отталкиваются и молекула перегруппировывается. Образуется вторая стабильная форма, и меняется электрическое сопротивление. Главное достоинство такого переключателя — его исключительно высокая устойчивость. Цикл окисления-восстановления катенана можно совершать 10–20 тысяч раз без заметного разрушения супрамолекулярной системы.

Переходим к памяти. В настоящее время применяют магнитные и оптические носители памяти, которые основаны на принципе двумерной записи, и это ограничивает объёмы записываемой информации. Стандартный диск CD-ROM диаметром 12 см может содержать примерно 0,5 гигабайт (~ 4·109 бит) данных. Теоретическая плотность оптической записи информации обратно пропорциональна квадрату длины волны используемого для записи света, поэтому предел возможностей однослойного компакт-диска равен 3,5·108 бит/см2 (для света с длиной волны 532 нм).



Рис. 4 Механизм трёхмерной (3D) молекулярной памяти
Память молекулярного компьютера будет основана на тех же принципах, что и переключатели, в её основе — бистабильные молекулярные структуры и их же превращения. Конечно, для различных типов памяти потребуются различные характеристики этих превращений, а чтобы обеспечить долгое хранение записанной информации, будут нужны системы с большим временем жизни изомера Y (рис. 1). Учёные предполагают, что в молекулярных компьютерах можно будет записывать оптическую информацию не только на поверхности активной среды, как это делается в настоящее время, а в полном объёме — то есть память станет трёхмерной. Если использовать для записи весь объём образца, то плотность записи на трёхмерном носителе с тем же источником света будет уже 6,5·1012 бит/см3, на четыре порядка больше. Если же применять более жёсткое излучение, то объём записываемой информации увеличивается ещё на порядок.

Чтобы записать информацию в объёме образца или, по крайней мере, на нескольких его слоях, нужна новая система записи. Для этого используют метод двухфотонного поглощения. Суть метода в том, что необходимая для записи энергия (hv) доставляется двумя фокусируемыми в нужной точке лазерными пучками с частотами v1 и v2, подобранными так, чтобы hv = hv1 + hv2 (рис. 4). Впервые принципиальную возможность такой схемы показал П. Рентцепис (Калифорнийский университет) в конце 80-х годов XX века. Он использовал для этого, в частности, фотохромную спиропирановую систему. Поглотив два фотона, молекула А перегруппируется в окрашенную мероцианиновую форму В. Считывание записанной таким образом информации происходит при регистрации флуоресценции молекулы В, также возбуждаемой двухквантовым переходом. Флуоресценция — не единственный, но в силу особенно высокой чувствительности наиболее привлекательный метод считывания записанной информации.



Рис. 5 3- и 2-индолилфульгиды для трёхмерной оптической памяти
К числу лучших фотохромных систем принадлежат фульгиды индольного ряда. Впервые их получили в нашем институте, но в настоящее время активно изучают и в других исследовательских центрах. Недавно американская компания „ConstellationSD“ (http://www.3dnews.ru/reviews/storage/fmd-rom), начинавшая свою деятельность в России, объявила о создании первого трёхмерного (многослойного) флуоресцентного диска FMD-ROM, материалом для которого служат 2-индолилфульгиды и 3-индолилфульгиды (рис. 5). По утверждению фирмы, первые готовые к выпуску образцы вмещают на десяти слоях 12-сантиметрового диска до 140 гигабайт (5–7 Гб на диске размером с кредитную карту), причём компания располагает технологией, позволяющей в десять раз увеличить число слоёв и, соответственно, плотность записываемой информации.



Рис. 6 Диарилэтены для трёхмерной оптической памяти
Очень интенсивные исследования по созданию органической трёхмерной памяти ведутся в Японии под руководством М. Ирие. В качестве объекта выбраны другие молекулы — диарилэтены (рис. 6), но принцип их работы тот же, что и у фульгидной системы. М. Ирие — куратор совместного проекта Международного научно-технологического центра (МНТЦ), в котором также участвуют Институт Органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, Фотохимический центр РАН и НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета.

Другой перспективный подход к созданию молекулярной памяти продемонстрировали недавно М. Рид (Йельский университет) и Д. Тур (компания „Хьюлетт Паккард“). Они сделали сандвич примерно из 1000 молекул ароматического дитиола и поместили его между золотыми электродами (рис. 7). При определённом напряжении, поданном на электроды, этот сандвич удерживает электроны (то есть хранит данное состояние в памяти) в течение примерно 10 минут (стандартная кремниевая динамическая память DRAM удерживает всего на миллисекунды).


Рис. 7 Ещё один вариант молекулярной памяти — „электронная присоска“. Сандвич из 1000 молекул поместили между золотыми электродами
При напряжении 5В ученым удалось поддерживать ток в 0,2 микроампера, что соответствует потоку 1012 электронов в секунду. Это намного больше того, что они ожидали после теоретических расчётов. Интересно, что электроны проходят через молекулу без рассеяния тепла. Авторы исследования думают, что их „электронная присоска“, как они её назвали, может служить прототипом нового поколения динамической памяти.

Наконец, третий компонент молекулярных компьютеров — проводники, обеспечивающие сообщение между молекулярными транзисторами и молекулярными устройствами памяти. Дизайн проводников, также имеющих наноскопические размеры, учёные ведут по трём основным направлениям. Первое — это проводящие полимеры: допированный полиацетилен (Нобелевская премия 2000 года), политиофен, полианилин и др. Второе — различные органические проводники, которые обладают достаточно высокой проводимостью, до 102-103 с/м. Все они представляют собой длинные сопряжённые молекулы, в которых электрон переносится по цепи π-связей (рис. 8).


Рис. 8 Молекулярные провода
Если к концам такой сопряжённой цепи присоединить металлсодержащие группы, то окисление или восстановление одной из них обеспечит достаточную проводимость по всей цепи. Комбинируя допированные (проводящие) и недопированные (со свойствами изоляторов или полупроводников) участки полимеров, можно получать электрические контуры с нужными свойствами.

Особые надежды возлагаются на третий тип проводников — нанотрубки. Это великолепный материал для молекулярной электроники. Нанотрубки с однослойными или многослойными стенками получаются при прохождении электрического разряда между двумя графитовыми электродами. Длина одностенных нанотрубок может достигать микрометров (диаметр около 1 нм), причём на отрезках по 150 нм сохраняются металлические свойства. Углеродные или боразотные нанотрубки можно заполнять металлами и получать таким образом одномерные проводники, состоящие из цепочек атомов металлов. С одностенными нанотрубками удается сделать ещё более интересные вещи.


Рис. 9 Транзистор на одной молекуле. Бакибол (60 ат. углерода) удерживается между электродами электрическими силами. Как только электрон запрыгивает внутрь бакибола, происходит смещение электрических сил и молекула смещается к одному из электродов и сопротивление меняется. Электрон выпрыгивает — бакибол смещается в исходное положение
При помощи атомно-силового микроскопа, скручивая однослойную нанотрубку, удалось получить участки, на которых сопротивление достигает 50 килоОм, в результате чего образуется барьер для движения электрона. При определённом напряжении можно переключать состояния одностенной нанотрубки: „проводимое“—„непроводимое“, перемещая один-единственный электрон. Фактически это прототип транзистора на одном электроне. Существует также прототип транзистора на одной молекуле, который изучают в Корнельском и Гарвардском университетах (рис. 9).

Молекулярные транзисторы, память и проводники — три составные части будущего молекулярного компьютера, и в их создании по отдельности, как мы видим, есть значительные успехи. Но самая сложная задача — собрать все компоненты в работающее устройство. До её решения ещё далеко. Однако путь, по которому надо идти, вполне ясен: это принцип молекулярного распознавания, ответственный за самосборку и самоорганизацию сложных ансамблей и агрегатов молекул. Этот же принцип лежит в основе происхождения жизни, и именно его использует природа для создания таких сложных структур, как двойная спираль ДНК, жидкие мембраны и глобулярные протеины. Пока эта задача не решена, учёные предполагают делать гибридные устройства, сочетающие достоинства молекулярного подхода с наиболее успешными технологическими вариантами, найденными для кремниевых технологий. Гибридные устройства можно сделать, например, используя повышенное сродство атомов серы в органических молекулах к тяжёлым металлам (рис. 10), особенно золоту. Так создаются контакты между металлическими электродами и молекулярными проводниками.

Мысль учёных идет дальше. До сих пор мы рассматривали примеры, когда все функции компонентов компьютера обеспечиваются передвижением электронов в сложных молекулярных ансамблях. Между тем эти функции могут взять на себя и фотоны. Уже предложены различные варианты фотонных устройств, например молекулярный фотонный транзистор (рис. 11). В фотонном транзисторе фрагмент молекулы, поглощающий квант света (дипиррилбородифторид), играет роль стокового электрода, следующая молекула (цинковый порфирин) — проводника, а последний излучающий порфириновый фрагмент молекулы соответствует электроду истока. Магниевый порфирин работает как управляющий электрод — затвор. Если окислить этот затвор, то после поглощения света перенос энергии происходит не на цинковый порфирин, а на неизлучающий магниевый. В компьютерах на подобных транзисторах, регулирование всей его работы будет происходить с помощью света.



Рис. 10 Гибридное устройство: молекулярный проводник и золотые электроды



Рис. 11 Молекулярный фотонный транзистор
Вот в общих чертах то, что ждёт нас в ближайшем будущем. Учёные считают, что молекулярные компьютеры будут созданы к 2020–2030 году. Это не значит, что существующее поколение кремниевых компьютеров полностью и сразу отомрёт, просто рядом с ним появится более мощная генерация. А что потом? Спинтроника и компьютеры на квантовых точках, ДНК-компьютеры.

Квантовый компьютер — это компьютер, в котором в качестве битов выступают квантовые объекты, например спины электронов или ядер. Такой компьютер станет ещё одним шагом вперёд по сравнению с молекулярным. В квантовом компьютере вместо значений „0“ или „1“, как у классического бита, у нас будет квантовый бит (ку-бит). Кубит может принимать несколько различных значений — нормированных комбинаций двух основных состояний спина, что даёт большое число сочетаний (рис 12). Так, 32 кубита могут образовать около 4 миллиардов состояний, а при наборе из 300 кубитов квантовый компьютер в принципе способен найти 2300 возможных решений — это число примерно равно числу всех элементарных частиц во Вселенной. Уже разработаны алгоритмы для квантовых компьютеров, причём значительный вклад в эту работу внесён отечественными учёными.



Рис. 12 Квантовые компьютеры. Квантовый бит — это спин электрона или ядра
В том случае, когда роль кубитов выполняют спины ядер, связанные спин-спиновыми взаимодействиями, в качестве квантового компьютера можно использовать спектрометр ЯМР. Тогда при помощи различных импульсных последовательностей можно задать любые соотношения между кубитами. Недавно группа Д. Оушелома (Калифорнийский университет) сообщила о том, что им удалось с помощью комбинации импульсов трёх лазеров перемещать сигнал между квантовыми кубитами. Передача сигнала занимала около ста фемтосекунд (1 фс = 10–15 с). Фирма „Хьюлетт Паккард“ изучает возможности 7-кубитового квантового компьютера, созданного на металлоорганической молекуле с семью гетероядерными спинами (рис. 13). Более отдалённая мечта — квантовые компьютеры на квантовых точках (о них „Химия и жизнь“ собирается написать в ближайшем времени).



Рис. 13 7-кубитовый квантовый компьютер на молекуле с семью гетероядерными спинами
Наконец, немного о ДНК-компьютинге („Химия и жизнь“, 2000, № 6). Л. Эйдлман (Университет Южной Калифорнии), возможно, одним из первых в 1994 году обратил внимание на поистине гигантскую информационную мощность ДНК. Если обычный компьютер манипулирует сочетаниями значений „0“ и „1“ , то в ДНК имеются четыре базовых состояния (А, Г, Т, Ц), соответственно многократно возрастает число сочетаний. Информационный потенциал ДНК-компьютеров — 1021 бит/грамм, то есть один 1 бит/нм3, тогда как современный компьютер даёт нам 1 бит на1012 нм3. ДНК-компьютер способен рассчитывать 1019 операций в секунду, а последний суперскоростной компьютер обеспечивает не более 1013 операций в секунду. Конечно, ДНК-компьютеры не будут использовать для стандартной повседневной работы, но их возможности позволяют уже сейчас решать ряд сложных задач.



Рис. 14 Нейроны-улитки на кремниевом чипе
Нельзя не сказать и о ещё одном направлении научного поиска. В Германии, в Институте Макса Планка, срастили неорганический кремниевый чип с нейронами улитки (рис. 14). Самое главное, что нейроны ответили на импульс, изначально поданный на кремниевую пластину, и наоборот. Уникальное сочетание химии, биологии и физики в полной гармонии!

Свой небольшой обзор того состояния, в котором сейчас находятся информационные технологии, мне хотелось бы закончить словами У. Черчилля, которые он произнёс, конечно, не о молекулярных компьютерах, а о переломе в военных действиях во Второй мировой войне: „Это ещё не конец, это даже не начало конца. Но возможно это — конец начала“.

„Химия и жизнь — XXI век

[Erichka]

Эх, какая экономия электричества была бы, если бы их в повседневной работе использовали! :girl:

ДНК-компьютер способен рассчитывать 1019 операций в секунду, а последний суперскоростной компьютер обеспечивает не более 1013 операций в секунду.

Интересно, откуда такие данные? Я слышала несколько другую информацию

[deardron]

Erichka

Интересно, откуда такие данные? Я слышала несколько другую информацию

Во-во, чуть более тысячи операций в секунду - бред какой, тут наверное пару троек нолей забыли приписать

[Gjest]

"Однако путь, по которому надо идти, вполне ясен: это принцип молекулярного распознавания, ответственный за самосборку и самоорганизацию сложных ансамблей и агрегатов молекул. Этот же принцип лежит в основе происхождения жизни, и именно его использует природа для создания таких сложных структур, как двойная спираль ДНК, жидкие мембраны и глобулярные протеины. Пока эта задача не решена, учёные предполагают делать гибридные устройства, сочетающие достоинства молекулярного подхода с наиболее успешными технологическими вариантами, найденными для кремниевых технологий. Гибридные устройства можно сделать, например, используя повышенное сродство атомов серы в органических молекулах к тяжёлым металлам (рис. 10), особенно золоту. Так создаются контакты между металлическими электродами и молекулярными проводниками."

Возвращение в Алхимию.

[Releganto]

В оригинале там: десять в девятнадцатой - десять в двадцатьтретьей - поболе чем пара нулей.

DaGGoN - Классная вещь, люблю wsjacinu -
еще когда я учила специальность поговаривали, что плоская схемoтехника на пределе возможностей, перейти бы к обьемному расположению элементов ..:-)
:botanik:

Еще на TRIZ.Lande много сообщений по различным тех.областям - самые свежие новости. - такие возможности проглядывают, И жить в это время прекрасное - может еще доведется ?
Вспоминается прежде нередко упоминаемая аналогия: "если бы авиационные технологии развивались теми же темпами, - самолеты уже были бы размером с метлу, с маневренностью воробья и по нескольку штук в индивидуальном пользовании - на каждый сезон плюс вечерние.

[Thermal]

Как человек занимающийся подобным сам , могу сказать, что такие перспективы действительно есть. Конечно говорить о конкретных сроках рано, да и проблемы есть.
Самая главная - как осуществлять сборку чипа. Дело в том, что создать отдельный элемент можно и сейчас (что и делают). Получаем множество таких элементов, расположенных статистически и не связанных в единую цепь. Если нужен молекулярный детектор или высокоселективный катализатор - пожалуйста! Такое мы готовим килограммами. А создание связей сложнее. Конечно можно использовать атомно-силовой и туннельный микроскопы, но у нас из практически нет :frown: ... Так что это в основном теория...

[Releganto]

Статья с CoNews:

"Микроэлектронная промышленность на данный момент существует лишь в двух измерениях, - говорит Марк Миодовник (Mark Miodownik), специалист по материаловедению из лондонского Королевского колледжа. - Выход в трехмерное пространство открывает возможность повышения быстродействия микросхем и увеличения емкости памяти".

Создание трехмерных электронных схем представляет из себя весьма непростую техническую задачу. В настоящее время такие структуры создаются послойно, что весьма трудоемко и ограничивает возможные конструктивные решения.

Прорыв совершила группа ученых и инженеров из Китая и Японии под руководством Яньрона Кью (Jianrong Qiu) из шанхайского института оптики и точной механики. Ими разработана технология, позволяющая "прорисовывать" электронную схему не просто на поверхности подложки, а прямо в толще стеклянного блока.

Секрет - в добавлении в стекло оксида золота в концентрации один к десяти тысячам. При фокусировании короткого лазерного импульса на определенной области в прозрачном стеклянном модуле атомы золота смещаются со своих мест. Затем, при нагреве стекла до 550 градусов Цельсия, они объединяются в крошечные шарики. Из таких шариков можно создавать сложные трехмерные структуры, подобно тому, как из отдельных капелек чернил складывается изображение на бумаге. Более того - полученные таким образом трехмерные структуры можно "стирать", используя для этого излучение другого лазера, разрушающего золотые микросферы на части. ..."

Полностью: http://www.cnews.ru/newtop/index.sht...4/04/27/158338

[Thermal]

Пример этого подхода легко увидеть в магазине - хрустальные шары с трехмерной картинкой. Только нужно еще и применить....