Электротехника, электроника

Игорь Корнелюк

Slide 1
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. Молекулярные компьютеры
Slide 2
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.
Slide 3
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 — 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.
Slide 4
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 манипуляции с отдельными атомами и молекулами. Это предсказание начинает сбываться. Размеры будущего молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Поскольку производительность компьютера пропорциональна количеству тра