Молекулярный компьютер принцип работы
Насколько мощными могут стать компьютеры? Существуют физические ограничения, если они сохранят свои размеры. Но молекулярная электроника может решить эту проблему, и теперь исследователи SDU (University of Southern Denmark) вносят свой вклад в эту область с помощью нового эффективного проводящего материала на основе молекул. Исследование опубликовано в журнале Американского химического общества.
Читайте «Хайтек» в
Наши компьютеры становятся все более и более мощными. Все чаще они становятся меньше — просто подумайте о том, что может сделать стандартный смартфон сегодня по сравнению с тем, какие технологии были у человечества всего несколько лет назад.
Но развитие не может длиться долго.
С современными технологиями ученые скоро достигнут предела того, насколько маленькими могут быть компоненты внутри компьютера. Нынешние разработки на основе силикона достигнут предела в течение следующих 10 лет, и у исследователей пока нет технологии ей на замену. Но молекулы — те кандидаты, которые могут стать двигателем прогресса.
Международная группа ученых под руководством Штеффена Беринга только что опубликовала новое научное исследование о составе молекул в жидкостях и в кристаллическом состоянии.
Мы наблюдаем хорошие качества проводимости, что является крайне важной особенностью, когда речь идет о разработке электронных устройств и компьютеров будущего.
Штеффен Беринг, SDU
Ученые считают, что если нам нужны еще более мощные компьютеры, которые бы сохранили свои размеры или стали меньше, то электронике придется перейти на молекулярные измерения. В таком случае размеры отдельных компонентов будут меньше нанометра.
Новый «молекулярный провод», который исследователи описывают в своей статье, является хорошим примером новой технологии и изящной системой, уверены исследователи.
Впервые для работы используются только нейтральные молекулы, которые способны распознавать и находить друг друга в растворе, образуя четко определенную трехмерную структуру. И она обладает полупроводниковыми свойствами. Вставляя различные компоненты, мы можем изменять проводимость и контролировать систему.
Новая система отличается от предыдущих, которые основаны на солях, содержащих металлы. Они не способны образовывать различные структуры.
Одной из проблем при создании электронных устройств из молекул является то, что молекулярные провода должны иметь удовлетворительные проводящие свойства. Но есть и другая проблема: стабильность. Она является самой большой слабостью молекулярной электроники. Это электроактивные материалы, и когда их снабжают энергией, молекулы заряжаются и становятся «хрупкими».
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.
С момента создания самого первого компьютера технологии стали развиваться так стремительно, как ни развивалась ни одна другая отрасль. Сейчас вычислительные машины в современном понимании уже подошли к пику своего развития и если мы хотим и дальше развивать технологии, нам нужно что-то новое. И, возможно, ученые поняли, как создать компьютер нового типа.
Почему компьютеры больше не эффективны?
На самом деле, современные «машины» еще способны на многое, но для этого мы должны улучшать их количественно, а не качественно. То есть объединять в огромные кластеры. И в конечном итоге мы придем к тому, с чего начали: компьютеры для обработки задач будут представлять собой огромные «шкафы» вроде того, что изображен на иллюстрации ниже.
Кроме того, небезызвестный «Закон Мура» гласит, что число транзисторов в интегральной схеме удваивается каждый два года. Увеличив число транзисторов, мы увеличим и число операций, которые они будут совершать в 2 раза. А значит они обработают в 2 раза больше информации. Говоря простыми словами, это вдвое увеличивает вычислительную мощность.
Однако в конечном итоге развитие микроэлектроники подошло к порогу, за которым наращивать количество транзисторов уже невозможно. Именно поэтому нужно создать принципиально новую систему.
Что такое молекулярный компьютер
Как создать молекулярный компьютер
До сих пор теплоперенос нельзя было измерить, не говоря уже о том, чтобы его контролировать. Но группе ученых из США, Японии, Германии и Южной Кореи удалось это сделать. В ходе экспериментов ученые поняли, что теплопроводность на молекулярном уровне изменяется совсем не так, как в макромире. Если в «нашем мире» она увеличивается по мере роста толщины материала, а электропроводность при этом уменьшается, то в наномасштабе при нарастании толщины проводимость электричества остается той же.
Таким образом, можно создавать довольно толстые «нанопровода» для отвода лишнего тепла, которое образуется в ходе молекулярного взаимодействия. Это не позволит молекулам разрываться и даст возможность проводить высокоэффективные вычисления. Осталось лишь подтвердить данные опыта и собрать молекулярный компьютер, основанный на новой технологии.
Еще больше интересных материалов вы можете прочитать в нашем новостном канале в Телеграм.
Один из путей решения проблемы предлагает молекулярная электроника, или молетроника. Стало возможным построить транзистор, состоящий всего из одной молекулы. Если из миллиарда таких транзисторов построить процессор, то по размерам он будет не больше острия иглы или песчинки. Но его производительность возрастёт в сотни или даже тысячи раз по сравнению с современными компьютерами, а энергопотребление станет намного меньше. Такие молекулярные процессоры можно встраивать в самые крошечные устройства, внедрять их в волокна ткани, превращая одежду в надеваемый компьютер. «Молекулярные блоки памяти» обеспечат плотность хранения данных, немыслимую для полупроводниковых микросхем. По прогнозам биохимика Дж. Мак Алира, одного из пионеров молекулярной электроники, плотность размещения молекулярных элементов в объёмной 3-D наносхеме может составить 1012…1015 элементов на мм–3. Это в 106 раз выше, чем в нервных волокнах живых организмов. Скорость передачи информации может возрасти в 106 раз.
Сейчас такой прогноз кажется фантастическим. Однако многие специалисты предсказывают появление молекулярных микросхем уже через несколько лет, а начало промышленного производства молекулярных компьютеров в 2015–2020 гг. Крупнейшие кампании всего мира вкладывают огромные средства в развитие этой области. Так, Агентство перспективных оборонных исследований США (DARPA) развернуло грандиозную программу по созданию элементной базы молекулярного компьютера, в которую включились такие промышленные гиганты, как Hewlett Packard и др.
Впервые идея использовать органические молекулы в качестве элементной базы возникла ещё в 1974 г., в фирме IBM, когда её ведущие исследователи А. Авирам и М. Ратнер предложили модель выпрямителя (диода), состоящего из одной органической молекулы. Две половинки этой молекулы обладают противоположными свойствами по отношению к электрону: одна может только отдавать электрон (являясь донором), а другая – только принимать (являясь акцептором). Если поместить такую асимметричную молекулу между двумя металлическими электродами, то вся система будет проводить ток только в одном направлении. Предложения о создании молекулярных систем с направленной электронной проводимостью инициировали экспериментальные работы по синтезу и изучению свойств таких молекул. Выдвигались также идеи создания на их основе аналога полупроводникового транзистора, за счет внедрения между донорной и акцепторной частями молекулы дополнительной управляющей молекулярной группировки (затвора), свойства которого могут быть изменены каким-либо воздействием (подачей напряжения, освещением и т.п.). Если соединить два таких транзистора, получится аналог полупроводникового триггера (вентиля) – устройства, которое может переключаться между двумя устойчивыми состояниями, выполняющими роль логических 0 и 1. А это, по сути, базовый элемент любого компьютера, работающего по принципу бинарной (двоичной) логики.
Следующим шагом в развитии молекулярной схемотехники стал отказ от простого копирования полупроводниковых схем с заменой в них обычных полупроводниковых (кремниевых) транзисторов на молекулярные. Существует множество как природных, так и синтезированных человеком молекул, которые сами по себе могут служить логическими элементами. Их разделяют на два типа: к первому относятся молекулы, обладающие двумя устойчивыми состояниями, которым можно приписать значения 0 и 1. Научившись переключать их из одного состояния в другое, фактически можно управлять молекулярным элементом двоичной логики. Молекулы второго типа содержат фрагменты, способные выполнять функции управляющих элементов. Одна такая молекула может работать как логический элемент НЕ–И, НЕ–ИЛИ и т.д.
На основе уникальных свойств органических молекул уже разработано множество вариантов схем для молекулярного компьютера. Сегодня в мире существуют научно-технические центры, занимающиеся разработкой устройств молекулярной электроники. Ежегодные конференции собирают сотни специалистов в этой области.
Читайте также: