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 6314019 B1 Molecular-Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications ("Комутатор 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 у напрямку розвитку молекулярної електроніки (молетронікі, або наноелектроніки). Результатом даної роботи має бути створення до 2005 р. пристрої пам'яті об'ємом 16 Кбіт з осередками у вигляді окремих молекул.
У 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 перетинань знаходяться молекули, стан (і провідність) яких може змінюватися в залежності від прикладеної напруги. Така молекула є аналог транзистора.
Співробітники HP Labs раніше продемонстрували в лабораторних умовах, як з деяких рідкоземельних елементів при хімічній взаємодії з кремнієвою підкладкою формуються наноскопіческіе паралельні провідники. З двох наборів таких провідників, перпендикулярно орієнтованих відносно один одного, можна сформувати грати.
В іншому експерименті цієї ж серії дослідники побудували решітку з провідників, які мають ті ж розміри, що і провідники в мікросхемах сучасних 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, видаваний Массачусетським технологічним інститутом, назвав цей патент (6128214, Molecular Wire Crossbar Memory) одним з п'яти найбільш важливих подій 2000
"Ця робота вперше продемонструвала можливість використання молекул в якості 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 використовувані 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 основну перешкоду, не дозволяло реалізувати всі переваги нової технології і створити більш складні мікросхеми, які можна було б використати на практиці.
"Проблема полягала в тому, що в єдиній великій решітці відбувається взаємодія всіх електричних сигналів, - розповів директор з квантовим технологіям HP Labs Стенлі Вільямс. - Уявіть, що в Манхеттені відключать всі світлофори і заборонять їздити зі швидкістю менше 30 миль на годину, - у результаті утворюється гігантська пробка. Відрізки провідників подібно світлофорам регулюють трафік, дозволяючи переміщувати інформацію (пасажирів) між будь-якими двома точками грат ".
Новий 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 з'єднають райони між собою", - пояснив пан Уільямс.
Ізолятори виходять за допомогою "відтинають провідників", які за складом відрізняються від звичайних. Різниця потенціалів на відсікає і основному провіднику і створює ізоляцію.
Управління цими напругами і зарядами в минулому році було запатентовано Уільямсом і Кьюкесом (патент США 6256767, Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar), що розробили 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 літографічним способом, з'єднуються з провідниками, що мають розміри у кілька нанометрів. У результаті було вирішено дуже важлива в практичному сенсі завдання організації ефективного введення-виведення інформації по відношенню до таких молекулярним структурам. Аналогічна задача для квантових комп'ютерів поки ще не вирішена.
По всій видимості, зараз наближається остання технологічна революція в електроніці: елементарні пристрої виходять на рубіж молекул, після чого подальший рух у цьому напрямі стане неможливим.