20 май 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

На път към молекулен компютър

Тази година се навършиха 50 г. от формулирането на Закона на Мур. А какво идва след него?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 10 октомври 2015 в 09:0440530

Бързото развитие на съвременната електроника идва преди всичко чрез постоянното намаляване на размера на различните елементи на микросхемата и същевременно увеличение на плътността на разполагането им върху силициевия кристал.

По този начин се увеличава скоростта на обработка на информацията. Обаче непрекъснатият растеж на сложността и бързодействието на интегралните схеми със силициева основа не може да продължава до безкрай.

Скоро на пътя им ще застане бариера, обусловена от физичните закони. Един от начините за решение на този проблем предлага молекулната електроника.

През 1965 г., в началото на микрокомпютърната ера и все още в епохата на микрометровите чипове, Гордън Мур предсказа, че количеството транзистори, които съдържа един микропроцесор, ще се удвоява на всеки 18-24 месеца. През 2007 самият Мур заяви, че вероятно неговият закон скоро ще престане да действа поради достигането на границата на намаляване на размерите на електронните елементи, наложена от атомната природа на материята и физическите ограничения. И наистина, поне за силициевата технология Законът на Мур не може да действа вечно. В днешни дни се наблюдава забавяне на действието му поради достигане на гранични стойности в размерите на транзисторите. Ограничение се явява охлаждането на все по-малките елементи.

Първо, най-очевидното ограничение пред Закона е увеличаването на стойността на производството на все по-сложни устройства. Например, за последните 30 години цената на нужното технологично оборудване за производството на един микрочип се е увеличила около 1000 пъти. Ако така продължава и в бъдеще, след десет години за изпълнението на Закона на Мур ще са нужни десетки милиарди долари за строителство на заводи за по-фини микрочипове. Освен това, ръстът на загубите ще надминава този на доходите. И в момента процесорният гигант Intel влага в своето производство милиарди долари всяка година.

Но съществува и друго, принципно ограничение на Закона на Мур. Както знаем, увеличението на броя елементи върху чипа се постига за сметка на намаляването на размера им. През 2000 г. разстоянието между елементите на един микропроцесор можеше да бъде 0,13 х 10-6 м, защото тогава чиповете се изработваха по 130-нанометров процес (1 нм е равен на 10-9 м). Оттогава измина доста време и в момента актуален е 14-нанометровият литографски процес. Намаляването на размера на транзисторите става все по-трудно и по-трудно, тъй като с намаляването на диелектричния слой расте опасността от преминаване на електрони през него, което ще възпрепяства нормалната работа на цялото устройство.

През април 2012 г. Intel обяви първия в света компютърен процесор, произведен по триизмерна технология с 22 нм транзистори. Същността на триизмерната технология в микрочиповото производство е, че тя позволява при същите размери да се поберат чувствително повече елементи на един и същи размер на силициевия кристал (в прилаганата сега планарна технолигия всички елементи на микрочипа се разполагат на една и съща плоскост). Но преходът на триизмерна производствена технология не е намаляване на размера на микрочипа и не може да реши гореспоменатите проблеми.;

Друг начин за повишаване на производителността е вместо силиция да се използва друг полупроводник, напр. галиев арсенид. Така производителността на чипа се увеличава поради увеличената скорост на движение на електроните в този материал. Но технологиите на основа на галиевия арсенид са много по-сложни от силициевата. Макар от 1980 докъм 2000 г. да бяха вложени много средства в научно-развойна дейност в тази област, интегралните схеми с такава основа се ползват почти само за военни нужди. Там тяхната висока стойност се компенсира от ниското енергопотребление, бързината и радиационната устойчивост. Но що се отнася до ограниченията, породени от физичните принципи, те остават в сила и при галиево-арсенните устройства.

Един от пътищата за решение на тези проблеми предлага молекулната електрониката (moletronics)

Суперкомпютър с размери на песъчинка

Представете си транзистор, съставен от една-единствена молекула. Ако от милиарди такива транзистори се произведе процесор, той наистина няма да бъде по-голям от песъчинка. При това неговата производителност ще расте в стотици или даже хиляди пъти в сравнение със съвременните компютри, а енергопотреблението ще е значително по-малко. Такива "молекулни процесори“ ще могат да се вграждат във всякакви, дори в най-малките устройства, или дори в нишка тъкан. "Молекулни блокове памет“ ще осигурят плътност за данносъхранение, немислима за конвенционалните полупроводникови схеми. По прогноза на биохимика Мак-Алир, един от пионерите на молетрониката, плътността на разполагане на молекулни елементи в триизмерна ИС може да е 1012 - 1015 мм-3. А това е 106 пъти повече, отколкото в нервните влакна! (Съответно и скоростта на предаване на информацията ще стане 106 пъти по-висока).

Началото

За пръв път идеята да се използват органични молекули като елементна база на елетрониката се появила през 1974 г., когато разработчиците от IBM А. Авирам и Марк Ратнър предложили модел на диод, съставен от една молекула. Двете половини на тази молекула имали противоположни свойства по отношение на електрона: едната може само да го отдава (донор), а другата – само да го приема (акцептор). Ако се помести такава асиметрична молекула между два метални електрода, то цялата система ще провежда електрони само в едно направление.

Предложенията на Авирам и Ретнър за създаване на молекулни системи с управлявана електронна проводимост предизвикали началото на експериментални работи по синтеза и изучаването на свойствата на такива молекули. Изказвали се идеи за създаване (на такава основа) на аналог на традиционния транзистор чрез разполагане между донора и акцептора на; допълнителна управляваща молекулна група, чиито свойства биха могли да се изменят под различно въздействие (подаване на напрежение, осветяване и т.н.). Ако се съединят два такива "транзистора“, ще се получи аналог на ПП тригера – устройство, което може да се превключва между две устойчиви състояния, играещи ролята на логическите 0 и 1. А по същество това е базовият елемент на всеки конвенционален компютър, работещ на принципа на двоичната логика.

Следващата важна стъпка в развитието на молекулната схемотехника станал отказът от простото копиране на ПП схемите и замянава в тях на обикновените транзистори с молекулни. Съществуват множество както природни, така и синтезирани от човека молекули, които могат да служат за логически елементи. Те се разделят на два вида:

- в първия са молекули, имащи две устойчиви състояния, които – както се писа по-горе – можем да обозначим като еквиваленти на логическите 0 и 1;

- молекулите от втория вид съдържат фрагменти, позволяващи им да играят ролята на описата по-горе управляваща група. Една такава молекула може да работи като логически активен елемент И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. (при това управляващите групи ще служат за "вход“ на елемента).

На основата на уникалните свойства на органичните молекули вече са разработени множество схеми за хипотетичен молекулен компютър.

Елементи на молекулния компютър

Основните елементи на една такава машина ще бъдат същите, каквито и на конвенционалния – система за вход на данните, изчислителен блок (процесор), система за съхраняване на данни (памет), и система за извеждане на информация (видеотерминал).

Процесорът, разбира се, ще се състои от молекулни логически елементи. Ето няколко примера от съществуващи разработки:

- в качеството на тригери най-удобно е да се използват молекули, имащи изомерни форми. Те имат еднаква молекулна маса и състав, но се различават по разположението на атомите в пространството. Някои от тях могат да бадат привеждани от една форма в друга чрез външно въздействие – например, някои молекули могат да бъдат превключени от състояние 0 на 1 чрез УВ излъчване, а в обратното състояние чрез светлина от видимия диапазон. На основата на такъв тригер могат да се строят устройства с оперативна памет, а също и елементи с логически функции. Подобно светлиннопревключваеми системи имат важна роля в процеса на зрително възприятие у животните и фотосинтезата у растенията: поглъщайки фотони, молекулите на родопсина и хлорофила претърпяват структурни преустройства, като при това изменят своята реакционна способност.

- в някои научни центрове са разработени и патентовани превключващи елементи на огледално-симетрично-хирални (от стгр. heir - "ръка") изомери, които също могат да се използват за съхранение и обработка на информация: тук функцията на логическите 0 и 1 изпълняват "дясната" и "лява" форма на молекулата. Превключването на такъв тригер, наречен хироптичен, се осъществява при едновременното действие на светлина и електрическо поле. Светлината изпраща на молекулата енергията, необходима за преминаване в новото състояние, а електрическото поле задава посоката на превключване. Четенето на информацията се осъществява чрез оптичен метод.

- в края на 90-те години Hewlett-Packard съобщи за разработването на нов вид логически "вентил" на основата на молекули на ротаксаните. Такъв вентил се състои от молекули от два вида: циклична (т. н. бусина) и линейна ("нишка"). В микросхемата бусината се оказва нанизана на нишката, разполагайки се по нея в едно от двете си възможни положения. Преминаването от една позиция в друга, тоест превключването на вентила, е чрез изменения на киселинно-алкалния баланс на средата. Такъв преход е обратим и може да се управлява с електрически сигнали. При превключване значително се изменя линията на поглъщане на светлината от страна на ротаксаните, което позволява да се чете информацията с оптичен способ. Молекули на ротаксаните могат да бъдат обединени в помилерни вериги с различна дължина и сложност, които да изпълняват логически функции мрез провеждане на електрически сигнал по веригата.

- има още един вариант на молекулни устройства с възможност за извършване на логически операции. Представете си дълга молекула, състояща се от два вида редуващи се структурни групи, едната от които служи за потенциална дупка, а другата – за потенциална бариера на пътя на електрона по молекулната верига. Такава структура представлява верига от препятствия за електрона. Изходното състояние на молекулата се задава така, че електронът да може лесно да я премине. Обаче стига да се окаже въздействие само на една от групите – напр. да се промени височината на бариерата или дълбочината на ямата – и преминаването на електрона ще стане невъзможно. Да речем, че нашата молекула има четири потенциални ями, дълбочината на които може да се управлява чрез оптично или електрическо въздействие. Тогава тя може да работи като логически елементи И-НЕ с четири входа. Тоест електронът ще премине през веригата само тогава, когато и на четирите входа отсъства сигнал.

Използвайки като "строителен блок" дори само едно от гореизброените устройства, теоретически може да се построи схема, изпълняваща колкото ни харесва сложни логически операции и изчисления. От такива елементи може да се създават блокове оперативна памет, а също така и енергонезависими постоянни запомнящи устройства. За работата на последните е необходимо прекараното време на използваните молекули в това или онова състояние да е достатъчно дълго – в такъв случай информацията може да бъде съхранявана продължително време.

Но как да се обединят тези елементи в единен изчислителен комплекс? Съвременните методи за химически синтез позволяват да се съшиват“ големи органични молекули, химически да се съединяват , "изходите" на едни молекули с "входовете" на други.

Един от методите на "молекулната архитектура" (строеж на обемни схеми молекулни устройства) е техологията на Мерифилд, разработена още в началото на 70-те за получаване на полипептиди със зададена последователност на аминокиселините. На основата на този метод сътрудникът на Центъра за молекулна електроника на IBM д-р Дж. Линдзи създав управляем компютър-синтезатор, предназначен за конструиране на сложни молекули – компоненти на молекулния компютър. В процеса на синтез базовата молекула се съединява химически към сфера с малък диаметър (в реакторната камера се съдържат хиляди такива сфери). Добавянето на химически съединения в камерата се осъществява от специализиран манипулатор под управлението на електроноизчислителна машина. Компютърът също така контролира температурата, киселината на средата и периодически анализира реакциите на продукта, за да осигури правилното му формиране. В хода на определена последователност на химическите реакции, предварително определени за контролиращата ЕИМ, към базовата молекула се добавят нови молекули. В процеса на синтез, продължаващ понякога няколко дни, под управлението на компютъра се получават много сложни молекули, като всяка една от тях е точно копие на прототипа, съхраняван в паметта на машината.

Синтезът става на модулен принцип. На първия етап се синтезират молекулните вентили. След това от тях се създават много по-сложни съединения, способни да изпълняват ролята на логически активни елементи. Получените след това компоненти могат да се използват като части на молекулния компютър.

При всяка стъпка от синтеза е необходимо ясно да се знае какви химически процеси произтичат в камерата. Това не може да се разбере без машинно моделиране. Освен това, за сложния синтез е необходимо да се използва, по възможност, процес на самоорганизация. В случая това означава, че в хода на синтеза добавъчните звена автоматично се добавят към базовата молекула на нужните места. По този начин крайният продукт на всяка реакция се самоорганизира така, че изцяло да определя хода на следващите реакции.

Теоретически може отделни молекулни компоненти да се съединяват чрез "проводници“ – напр. чрез т н. въглеродни нанотръби. Това са цилиндрични структури с диаметър от порядъка на няколко нанометра. Друг вариант е чрез електропроводящи полимери, понякога наричани "органични метали". Работите по създаване на полимери-проводници са започнати още в началото на 70-те години и те вече намират място в конвенционалната електроника. През 2000 г. беше присъдена Нобелова награда по химия на двама американски учени и един японски, автори на първите разработки в тази област – съответно Алън Хигър, Алън Макдиармид и Хидеки Ширакаве.

Структурни формули на електропроводящи полимери

Остава да се разреши проблемът за въвеждането и извеждането на информацията. Устройствата за въвеждане в молекулния компютър могат да останат същите, каквито използва потребителят в момента (клавиатура, мишка, различните видове конектори и т. н.). Но тъй като процесите на съхраняване и преработка на информацията в молекулния компютър имат специфичен характер (напр. отделните части на един или друг компютър могат да работят с информация, предоставена в различна форма – електрическа, оптична, химическа и т. н.), остава въпросът за свързването на изчислителните блокове помежду им, а също и с външните електронни устройства. Тоест, необходими са преобразуватели на сигнал от една форма в друга.

Такива отдавна се използуват като химически (газови) сензори. Що се отнася до преобразуването на електрически сигнали в оптични, за това са подходящи молекулните аналози на светодиодите и лазерите, в които се използват светлоизлъчващи молекули (хромофори):

Ако за извеждане и изобразяване на информацията в молекулния компютър се използват вече съществуващите електронни устройства (монитори, проектори и т.н.), трябва просто да има съответстващи преобразуватели на сигнала. Освен това молекулната електроника предлага решения на тези проблеми по свой път. Например, разработват се молекулни устройства, на основата на които могат да бъдат създадени свръхтънки течнокристални екрани. Под течнокристалния слой се нанася тънка органична лента, имаща ориентиращ ефект. На всяка молекула от нея постъпва сигнал от компютъра, променящ нейната конформация и съответно ориентацията на нанесения отгоре слой течни кристали, тоест инеговите отражателни свойства. По този начин такова устройство може ефективно да се използва за извеждане на информация.

На сходен принцип работят и т.н. електронни таблетки. Това са екрани с малък размер, покрити със слой хирални течни кристали, молекулите на които могат да сменят типа на симетрията в зависимост от ориентацията на подложката, като при това променят и цвета си. Такива таблетки на полиамидни подложки с вградени молекули от азооцветители позволяват да се записва (с помощта на поляризирана светлина) и да се изобразява голям обем от информация - "вестници на бъдещето". Такива структури могат да се създават и на мека полимерна подложка, което ги прави и по-удобни за използване.

Вторият възможен тип терминали са органични светодиоди, тоест активни излъчващи устройства на основата на p-n прехода, създадени от органични материали. Такъв светодиод се състои от един или няколко слоя органични молекули, разположени между два електрода. Излъчването на светлина от диода е възможно чрез взаимното унищожение (анихилация) на положителните и отрицателните заряди в слоя на органичния материал. Тези заряди могат да постъпват към светодиода непосредствено от молекулния компютър.; Използваните в диода електроди могат да са изработени не само от метал, но и от органични материали – напр. полианилин или полиацетилен. В момента вече е постигнат значителен напредък в получаването на високи стойности на ефективност на светодиодите, в понижаването на работните им напрежения, а също така и в избора на цвета на излъчваната светлина. Разработени са устройства с ефективност няколко лумена/ват и издръжливост няколко хиляди часа.

Малко тъжни новини

Макар теоретичните основи на молетрониката да са изучени и да са изработени прототипи на почти всички логически схеми, на пътя на действителното построяване на молекулен компютър продължават да стоят много трудности. Наглед очевидната възможност за използване на молекулите като логически елементи на електронните устройства се оказва много проблематична поради специфичните свойства на молекулните системи и изискванията, предявявани към логическите елементи.

Преди всичко един логически елемент трябва да има висок сработваемост, или, по-точно, лесно да се поддава на управляващо взаимодействие. Ако се разгледа оптическата връзка между елементите, в системата една молекула-един фотон надеждността при превключване ще бъде слаба поради относително малката вероятност за преминаване на молекулата във възбудено състояние. Може да се направи опит за преодоляване на тази трудност, използвайки по-голямо число кванти. Но това ще противоречи на друго важно изискване: КПД на преобразуването на сигнала от отделен елемент трябва да бъде близък до единица, тоест средната мощност на реакцията трябва да бъде съизмерима със средната мощност на въздействие. В противен случай при обединението на елементите във верига вероятността им за сработване намалява едовременно с увеличаването на разстоянието от началото на веригата. Освен това, всеки логически елемент трябва да се превключва в нужното състояние и да се намира в него достатъчно дълго – до следващото въздействие. За сравнително прости молекули по правило това изискване не е налице: ако прехода във възбудено състояние може да се управлява, обратният преход може да настъпи спонтанно.

Все пак не всичко е така лошо. Използването на големи органически молекули или техни комплекси позволява в по-голямата част от случаите да се преминат гореописаните трудности. Например, в някои протеини КПД на електроннооптичното преобразуване е близък до единица. Освен това, за големи биоорганични молекули времето на оставане във възбудено състояние достига няколко десетки секунди.

Но дори в такъв случай, ако отделният молекулен изчислителен елемент няма надеждността на своите сицилиеви предшественици, ефективната работа на бъдещия компютър може да се достигне, като се комбинират принципите на молетрониката и паралелните изчисления, прилагани в суперкомпютрите. За тази цел трябва да се свържат няколко еднакви молекулни логически елементи така, че да работят паралелно. Тогава неправилното сработване на някой от тях няма да доведе до мигновена грешка в изчисленията. Един съвременен суперкомпютър, работещ на принципа на масивния паралелизъм и имащ много стотици процесори, може да съхрани достатъчно висока производителност дори в случай, ч 75 % от тях излязат от строя. На практика всички живи системи използват принципа на паралелизма и затова несъвършенството на организмите на ниво отделни клетки или гени не им пречат да функционират ефективно.

Молекулен логически елемент И-НЕ с два входа. Електронът ще премине през молекулната верига само когато сигнал на двата входа отсъства

В бъдеще с надежда

В момента в света съществуват десетки научноизследователски центрове, занимаващи се с разработка на молекулна електроника. За решаване на нейните проблеми се обединяват усилията на учени, работещи в области от колоидната химия и биология, през високите технологии до теоретичната физика. Също така, нужни са крупни финансови вложения.

Благодарение на високата чувствителност на молекулните устройства те могат да се използват за създаване на ефективни преобразуватели на слънчева енергия, моделиране на фотосинтеза, разработка на нов клас приемници на изображение, чиито принципи на работа ще напомнят този на човешкото око. Молекулните устройства могат да служат като избирателни сензори, разпознаващи и реагиращи на точно определен вид молекули. Такива сензори са необходими в екологията, промишлеността, медицината. Например, ако е нужно да се контролира; здравословното състояние на даден индивид, сензор от органични молекули много по-лесно ще бъде вграден в тялото му и ще се впише там.

Антон Оруш, Sandacite.net – www.sandacite.net

Източници:

Intel advances Moore's law with 3D transistors

Intel® 22 nm Technology

Ion Implanted Conductive Polymers

Молекулярная электроника - электроника 21 века

Молетроника


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Компютри
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.