Вперед за прогрессом! Компьютеры будущего. Часть 3
Вперед за прогрессом! Компьютеры будущего. Часть 3
Достижения современного материаловедения и микротехнологии велики. Они практически позволили достичь ограничений в процессе постоянной миниатюризации элементов компьютеров.
Микроэлектроника уже перешла в область наноэлектроники. Время измеряется в наносекундах, а размеры элементов — в сотнях и даже десятках нанометров. Дальнейшему совершенствованию и уменьшению элементов противостоят принципиальные ограничения, связанные с фундаментальными закономерностями физических явлений в кристаллах. Для элементов нанометрового диапазона их размеры становятся соизмеримыми и даже меньшими, чем их характеристические параметры:
1. дебройлевская длина волны электрона;
2. средняя длина свободного пробега носителя заряда;
3. длина когерентности.
Тогда возникают новые явления, обусловленные размерными эффектами, и перестают выполняться классические закономерности физических процессов в работе СБИС (сверхбольших интегральных схем).
Вот тут и появляется принципиально новое направление в развитии средств обработки информации — молекулярная электроника. Это смесь электроники и биохимии.
В середине 70-х годов возникает идея использования в электронике молекул, содержащих углерод и отличающихся возможностью биологической транспортировки электронов. Следовательно, используя электрическое поле, можно изменять молекулярную структуру и возбуждать электронную проводимость.
Ученые уже неоднократно указывали на возможность создания технических средств обработки и хранения информации, по своим функциям и возможностям аналогичных биологическим системам. Биосистемы отличаются гигантской информационной емкостью и ассоциативным способом обработки информации. Уже не секрет, что дальнейшее развитие электронной вычислительной техники приведет к необходимости использования других принципов для процессов обработки и хранения информации, в том числе и биологических, а, следовательно, и для создания молекулярных компьютеров.
Исследователи предполагают, что такие системы по сравнению с полупроводниковыми будут содержать в миллион раз больше элементов, их быстродействие будет в 1000 раз выше и они будут иметь низкое потребление мощности, более высокую плотность информации, высокую адаптацию к новым условиям и к изменениям программ.
В качестве рабочих веществ для создания электронных структур ученые предлагают использовать:
1. неорганические вещества;
2. органические (небиологические) соединения;
3. органические вещества биологического происхождения (белки).
Программы исследований в этой области на сегодняшний день направлены на создание следующих молекулярных аналогов электронных вычислительных машин:
1. создание молекулярных аналогов твердотельных микроэлектронных приборов. Основная задача: на основе молекулярных структур осуществить функции элементарных микросхем, например, триггеров. В качестве микроприборов здесь могут выступать фрагменты органических, кремниево-органических, а так же металло-органических полимеров и биополимеров;
2. создание молекулярных цепей и молекулярных ассоциаций, выполняющих функции логики, хранения и передачи информации;
3. создание биологических функциональных молекул методами генной инженерии.
Второе из указанных мною направлений предполагает создание законченных молекулярных СБИС посредством самосборки фрагмента, то есть путем последовательного наращивания необходимой молекулярной последовательности.
Механизмы функционирования элементов молекулярной электроники прежде всего определяются переносом электронов и протонов (туннелирование электронов и протонов), перегруппировкой валентных связей и перестройкой групп молекул.
Так какие же химические вещества можно использовать для реализации задач молекулярной электроники? Это сложные молекулы и молекулярные последовательности:
1. содержащие карбонильную группу (кетоны);
2. содержащие гидроксильную группы (гидроксилы);
3. содержащие альдегидную группу (альдегиды);
4. содержащие карбоксильную группу (карбоксилы);
5. содержащие аминогруппу (органические амины);
6. циклические соединения, молекулы которых содержат атомы C, H, O, N, S.
Для примера сложнейших молекул и их ассоциаций, которые используются в качестве рабочих веществ в молекулярной электронике, могу привести следующие:
1. трансполиацетилен;
2. липиды (жиры);
3. аминокислоты;
4. протеины (белки, длинные цепочки аминокислот). Белковые молекулы — это несколько миллиардов отдельных элементарных ячеек в общей цепи;
5. микротубил — цилиндрические белковые полимеры. Содержатся в живых клетках;
6. тетрацианохинометамид + N-метилофеназин (впечатляет название?:));
7. нитрид серы;
8. металлоорганические соединения Cu и Ag. В этих структурах под воздействием электрического поля или светового потока происходят переключения, аналогичные происходящим в транзисторах;
9. различные новые вещества, полученные методами генной инженерии. Это дает возможность конструировать молекулярные фрагменты, которые могут выполнять логические операции и хранить информацию.
Некоторые из указанных выше веществ обладают полупроводниковыми свойствами, например, зависимостью сопротивления от температуры и освещенности. Электронные же свойства перечисленных веществ зависят от условий синтеза веществ, а электроперенос в них происходит вдоль цепи молекул. Эти вещества используются либо в виде пленок на твердых подложках (например, на кремнии), либо в виде молекулярных кристаллов.
Очень важным свойством молекул является их способность преобразовывать одну энергию (например, химическую, электрическую, механическую или электромагнитную) в другую с очень высоким КПД.
Важнейшей проблемой молекулярной электроники является выяснение механизма проводимости в молекулах. Как же можно переносить информацию в молекулах? Основные носители следующие:
1. электроны в результате туннелирования;
2. протоны в результате туннелирования;
3. солитоны (двигается заряженная колебательная волна возбуждения);
4. фононы (двигается вибрация молекул);
5. фотоны (частицы света).
Какие же фундаментальные отличия молекулярной электроники от микроэлектроники можно привести в данном обзоре? Во-первых, информационный сигнал в микроэлектронике является кооперативным эффектом, то есть в канале связи осуществляется перенос некоторого количества электронов и дырок. Информационный сигнал в молекулярной электронике является одноэлектронным эффектом, то есть по каждой цепи переносится одиночный носитель. Причем канал связи образован множеством одиночных цепей. Во-вторых, технологический процесс в молекулярной электронике основан на принципе самоорганизации структуры, а в микроэлектронике — на принципе принудительной функциональной топологии (чип сам по себе не может создаться).
Уже сейчас удалось осуществить синтез гигантских молекул, составляющих основу живых организмов, обладающих электронными и полупроводниковыми свойствами, способных вместить информацию гигантских объемов, обладающих высочайшим быстродействием и незначительным энергопотреблением. Что будет дальше — покажет время. Возможно, лет через 20-30 молекулярные компьютеры станут такими же привычными и доступными, как и наши полупроводниковые. Ждем-с… А что нам остается делать?
Константин Яшин, доцент,
Сергей Юшко aka Gedemin,
gedemin@tut.by
Продолжение следует
Достижения современного материаловедения и микротехнологии велики. Они практически позволили достичь ограничений в процессе постоянной миниатюризации элементов компьютеров.
Микроэлектроника уже перешла в область наноэлектроники. Время измеряется в наносекундах, а размеры элементов — в сотнях и даже десятках нанометров. Дальнейшему совершенствованию и уменьшению элементов противостоят принципиальные ограничения, связанные с фундаментальными закономерностями физических явлений в кристаллах. Для элементов нанометрового диапазона их размеры становятся соизмеримыми и даже меньшими, чем их характеристические параметры:
1. дебройлевская длина волны электрона;
2. средняя длина свободного пробега носителя заряда;
3. длина когерентности.
Тогда возникают новые явления, обусловленные размерными эффектами, и перестают выполняться классические закономерности физических процессов в работе СБИС (сверхбольших интегральных схем).
Вот тут и появляется принципиально новое направление в развитии средств обработки информации — молекулярная электроника. Это смесь электроники и биохимии.
В середине 70-х годов возникает идея использования в электронике молекул, содержащих углерод и отличающихся возможностью биологической транспортировки электронов. Следовательно, используя электрическое поле, можно изменять молекулярную структуру и возбуждать электронную проводимость.
Ученые уже неоднократно указывали на возможность создания технических средств обработки и хранения информации, по своим функциям и возможностям аналогичных биологическим системам. Биосистемы отличаются гигантской информационной емкостью и ассоциативным способом обработки информации. Уже не секрет, что дальнейшее развитие электронной вычислительной техники приведет к необходимости использования других принципов для процессов обработки и хранения информации, в том числе и биологических, а, следовательно, и для создания молекулярных компьютеров.
Исследователи предполагают, что такие системы по сравнению с полупроводниковыми будут содержать в миллион раз больше элементов, их быстродействие будет в 1000 раз выше и они будут иметь низкое потребление мощности, более высокую плотность информации, высокую адаптацию к новым условиям и к изменениям программ.
В качестве рабочих веществ для создания электронных структур ученые предлагают использовать:
1. неорганические вещества;
2. органические (небиологические) соединения;
3. органические вещества биологического происхождения (белки).
Программы исследований в этой области на сегодняшний день направлены на создание следующих молекулярных аналогов электронных вычислительных машин:
1. создание молекулярных аналогов твердотельных микроэлектронных приборов. Основная задача: на основе молекулярных структур осуществить функции элементарных микросхем, например, триггеров. В качестве микроприборов здесь могут выступать фрагменты органических, кремниево-органических, а так же металло-органических полимеров и биополимеров;
2. создание молекулярных цепей и молекулярных ассоциаций, выполняющих функции логики, хранения и передачи информации;
3. создание биологических функциональных молекул методами генной инженерии.
Второе из указанных мною направлений предполагает создание законченных молекулярных СБИС посредством самосборки фрагмента, то есть путем последовательного наращивания необходимой молекулярной последовательности.
Механизмы функционирования элементов молекулярной электроники прежде всего определяются переносом электронов и протонов (туннелирование электронов и протонов), перегруппировкой валентных связей и перестройкой групп молекул.
Так какие же химические вещества можно использовать для реализации задач молекулярной электроники? Это сложные молекулы и молекулярные последовательности:
1. содержащие карбонильную группу (кетоны);
2. содержащие гидроксильную группы (гидроксилы);
3. содержащие альдегидную группу (альдегиды);
4. содержащие карбоксильную группу (карбоксилы);
5. содержащие аминогруппу (органические амины);
6. циклические соединения, молекулы которых содержат атомы C, H, O, N, S.
Для примера сложнейших молекул и их ассоциаций, которые используются в качестве рабочих веществ в молекулярной электронике, могу привести следующие:
1. трансполиацетилен;
2. липиды (жиры);
3. аминокислоты;
4. протеины (белки, длинные цепочки аминокислот). Белковые молекулы — это несколько миллиардов отдельных элементарных ячеек в общей цепи;
5. микротубил — цилиндрические белковые полимеры. Содержатся в живых клетках;
6. тетрацианохинометамид + N-метилофеназин (впечатляет название?:));
7. нитрид серы;
8. металлоорганические соединения Cu и Ag. В этих структурах под воздействием электрического поля или светового потока происходят переключения, аналогичные происходящим в транзисторах;
9. различные новые вещества, полученные методами генной инженерии. Это дает возможность конструировать молекулярные фрагменты, которые могут выполнять логические операции и хранить информацию.
Некоторые из указанных выше веществ обладают полупроводниковыми свойствами, например, зависимостью сопротивления от температуры и освещенности. Электронные же свойства перечисленных веществ зависят от условий синтеза веществ, а электроперенос в них происходит вдоль цепи молекул. Эти вещества используются либо в виде пленок на твердых подложках (например, на кремнии), либо в виде молекулярных кристаллов.
Очень важным свойством молекул является их способность преобразовывать одну энергию (например, химическую, электрическую, механическую или электромагнитную) в другую с очень высоким КПД.
Важнейшей проблемой молекулярной электроники является выяснение механизма проводимости в молекулах. Как же можно переносить информацию в молекулах? Основные носители следующие:
1. электроны в результате туннелирования;
2. протоны в результате туннелирования;
3. солитоны (двигается заряженная колебательная волна возбуждения);
4. фононы (двигается вибрация молекул);
5. фотоны (частицы света).
Какие же фундаментальные отличия молекулярной электроники от микроэлектроники можно привести в данном обзоре? Во-первых, информационный сигнал в микроэлектронике является кооперативным эффектом, то есть в канале связи осуществляется перенос некоторого количества электронов и дырок. Информационный сигнал в молекулярной электронике является одноэлектронным эффектом, то есть по каждой цепи переносится одиночный носитель. Причем канал связи образован множеством одиночных цепей. Во-вторых, технологический процесс в молекулярной электронике основан на принципе самоорганизации структуры, а в микроэлектронике — на принципе принудительной функциональной топологии (чип сам по себе не может создаться).
Уже сейчас удалось осуществить синтез гигантских молекул, составляющих основу живых организмов, обладающих электронными и полупроводниковыми свойствами, способных вместить информацию гигантских объемов, обладающих высочайшим быстродействием и незначительным энергопотреблением. Что будет дальше — покажет время. Возможно, лет через 20-30 молекулярные компьютеры станут такими же привычными и доступными, как и наши полупроводниковые. Ждем-с… А что нам остается делать?
Константин Яшин, доцент,
Сергей Юшко aka Gedemin,
gedemin@tut.by
Продолжение следует
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 33 за 2004 год в рубрике hard :: технологии
