Молекулярна обчислювальна техніка.

Молекулярні комп'ютери. Про перспективи розвитку молекулярних комп'ютерів розповів на конференції "Сучасні напрями хімії", присвяченої 135-річчю Російського хімічного суспільства, академік РАН, директор НДІ фізичній і органічній хімії Ростовського державного університету В.И. Минкин. Ця конференція пройшла в листопаді 2003 року в Менделеевском центрі Санкт-петербурзького університету за підтримки Глобального наукового центру "Inno-Centive".

Про молекулярні комп'ютери говорять давно. Як далеко просунулися учені? Чи не зник інтерес до таких досліджень? Ні, не зник, навпаки, ними активно займаються в Америці, в Німеччині, у нас в країні, і, незважаючи на те що перспектива створення серійного комп'ютера на молекулах все ще здається досить віддаленою, деякі успіхи є. Більше того, учені, працюючі в цій області, стверджують, що молекулярні комп'ютери прийдуть на зміну кремнієвим вже через 20-25 років. А ще через 10-20 років буде створено нове покоління ще ефективніших квантових комп'ютерів і ДНК-комп'ютерів.

 

 

Рис. 1 Бістабільні молекулярні системи

Що таке молекулярний комп'ютер? Цей пристрій, в якому замість кремнієвих чіпів, вживаних в сучасних комп'ютерах, працюють молекули і молекулярні ансамблі. У основі нової технологічної ери лежать так звані "інтелектуальні молекули". Такі молекули(чи молекулярні ансамблі) можуть існувати в двох термодинамічно стійких станах, кожне з яких має свої фізичні і хімічні властивості. Переводити молекулу з одного стану в інший(перемикати) можна за допомогою світла, тепла, хімічних агентів, електричного і магнітного поля і так далі. Фактично такі перемикані бістабільні молекули - це нанорозмірна двобітова система, відтворююча на молекулярному рівні функцію класичного транзистора.

Особливо цікаві такі перетворення бістабільних молекул, після яких сильно міняється електронна конфігурація. Наприклад, після ізомеризації в молекулі утворюється єдина зв'язана електронна система, отже, з'являється здатність проводити електричний струм. Можуть мінятися і інші властивості: спектри поглинання зрушуватися у видиму область, виникати нелінійні оптичні властивості і, що особливо цінно, флуоресценція (рис 1).

 

 

Рис. 2 Кремнієвий транзистор

Інтерес до створення молекулярних комп'ютерів не випадковий. Продуктивність комп'ютера пропорційна кількості транзисторів на одиниці площі інтегральної схеми. На процесорному чіпі сучасного комп'ютера розташовані до ста мільйонів транзисторів, і набагато більше розмістити вже навряд чи вдасться, оскільки доведені до досконалості технології їх виробництва досягли свого піку. Транзистор(мал. 2) - це два електроди на кремнієвій підкладці, струм між якими регулюється потенціалом, що подається на третій електрод, що управляє, - затвор. Критичний елемент кремнієвого транзистора, із-за якого не можна зробити його набагато менше, - товщина ізолюючого шару оксиду кремнію між затвором і шаром, що проводить. Сучасні технології вже дозволяють зробити його завтовшки 0,13 мікрон(130 нм), що відповідає приблизно 1/1000 товщини людського волоса. У перспективі, років через десять, можливо, вдасться досягти товщини 0,09 мікрон. Незважаючи на те що технології виробництва ізолюючого шару оксиду кремнію удосконалюються і він стає тонше, у нього існує фізична межа - не більше 4-5 молекул(1,5-2 нм). У тонших шарах починаються неконтрольовані процеси туннелирования електронів і перегрівання, які порушують роботу транзисторів і обчислювальної системи в цілому. Більше того, існує межа стабільної концентрації допантов в шарі, що проводить, і саме формування інтегральної схеми з меншими розмірами транзисторів неможливе на базі стандартної техніки фотолітографії. В силу квантових законів труїть не можна здійснити на меншому масштабі, ніж довжина півхвилі світла, а вже зараз використовують жорстке УФ-излучение.

 

Сучасні комп’ютери	Молекулярні комп’ютери
Розмір транзистора - до 100 nm	Молекулярний транзистор 1 - 10
Транзисторів на 1 см^2 - до 10^7	~ 10^13 на 1 см^2
Час відгуку - < 10^-9 с	До 10^-15с
Ефективність - 1	Ефективність - 10^11

 

Ще в 1959 році Річард Фейнман вказав на те, що молекули, що мають певні властивості, зможуть працювати як перемикачі і замінити собою транзистори("Хімія і життя", 2002, № 12), а технічний прогрес зробить можливим і маніпуляції з окремими атомами і молекулами. Це пророцтво починає збуватися. Розміри майбутнього молекулярного транзистора будуть на два порядки менше за наймініатюрніших кремнієвих. Оскільки, як ми вже говорили, продуктивність комп'ютера пропорційна кількості транзисторів, що розміщуються на одиниці площі, то виграш в продуктивності буде величезним. Так, якщо зменшити розмір транзистора до молекулярних розмірів(приблизно до одного нанометра), то на одиниці площі інтегральної схеми поміститься в мільйон разів більше транзисторів(див. таблицю). Якщо ще на додаток до цього час відгуку зменшиться до фемтосекунд(на шість порядків) - а саме такий характеристичний час протікання елементарної стадії хімічної реакції, - те ефективність молекулярного комп'ютера може виявитися в 100 мільярдів разів вище, ніж сучасного кремнієвого.

Архітектура кожного комп'ютера включає три основні елементи: перемикачі, пам'ять, сполучаючі дроти. Усі елементи в молекулярних комп'ютерах відрізнятимуться від їх же аналогів в нинішніх обчислювальних пристроях. Бістабільні молекули - перемикачі управлятимуться світловими і електричними імпульсами або електрохімічними реакціями. Пам'ять може працювати на принципі " запам'ятовування" оптичних або магнітних ефектів, а провідниками можуть стати нанотрубки або зв'язані полімери. Зараз вже створені численні варіанти усіх основних складових комп'ютера майбутнього. Розглянемо їх окремо.

 

 

Рис. 3

Молекулярний перемикач. Перемикання відбувається при дії електричного поля(+2 В; - 2 В), а прочитування - виміром опору(0,1 В)

Найбільш ефективні молекулярні перемикачі грунтовані на фотохромных з'єднаннях, які ізомеризуються при переході у вищі збуджені електронні стани. Це може бути процес цис-транс-изомеризации, перициклічних перетворень, фотоперенесення протона. Після перемикання кардинально перебудовується електронна конфігурація системи(мал. 1), а її геометрія залишається практично колишньою. Перспективні також топологічні ізомери супрамолекул - наприклад, перемикач, описаний Д.Ф. Стоддардом і Д. Хисом, які співпрацюють з фірмою "Хьюлетт Паккард"(мал. 3). Моношар молекул катенана поміщають між металевим і кремнієвим електродами. Після електрохімічного окислення супрамолекулы на одній з її частин з'являється додатковий позитивний заряд. Оскільки в початковій формі ця частина є сусідами з однойменним зарядом те після окислення плюси відштовхуються і молекула перегруповується. Утворюється друга стабільна форма, і міняється електричний опір. Головне достоїнство такого перемикача - його виключно висока стійкість. Цикл окислення-відновлення катенана можна здійснювати 10-20 тисяч разів без помітного руйнування супрамолекулярной системи.

 

Переходимо до пам'яті. Нині застосовують магнітні і оптичні носії пам'яті, які грунтовані на принципі двовимірного запису, і це обмежує об'єми записуваної інформації. Стандартний диск CD - ROM діаметром 12 см може містити приблизно 0,5 гігабайт(~ 4·109 біт) даних. Теоретична щільність оптичного запису інформації обернено пропорційна до квадрата довжини хвилі використовуваного для запису світла, тому межа можливостей одношарового компакт-диска дорівнює 3,5·108 біт/см2(для світла з довжиною хвилі 532 нм).

 

 

 

Рис. 4 Механізм тривимірної(3D) молекулярної пам'яті

Пам'ять молекулярного комп'ютера буде грунтована на тих же принципах, що і перемикачі, в її основі - бістабільні молекулярні структури і їх же перетворення. Звичайно, для різних типів пам'яті знадобляться різні характеристики цих перетворень, а щоб забезпечити довге зберігання записаної інформації, будуть потрібні системи з великим часом життя ізомеру Y(мал. 1). Учені припускають, що в молекулярних комп'ютерах можна буде записувати оптичну інформацію не лише на поверхні активного середовища, як це робиться нині, а в повному об'ємі - тобто пам'ять стане тривимірною. Якщо використати для запису увесь об'єм зразка, то щільність запису на тривимірному носії з тим же джерелом світла буде вже 6,5·1012 біт/см3, на чотири порядки більше. Якщо ж застосовувати жорсткіше випромінювання, то об'єм записуваної інформації збільшується ще на порядок.

Щоб записати інформацію в об'ємі зразка або, принаймні, на декількох його шарах, потрібна нова система запису. Для цього використовують метод двохфотонного поглинання. Суть методу в тому, що необхідна для запису енергія(hv) доставляється двома фокусованими в потрібній точці лазерними пучками з частотами v1 і v2, підібраними так, щоб hv = hv1 + hv2(мал. 4). Уперше принципову можливість такої схеми показав П. Рентцепис(Каліфорнійський університет) у кінці 80-х років XX століття. Він використав для цього, зокрема, фотохромную спиропирановую систему. Поглинувши два фотони, молекула А перегрупується в забарвлену мероцианиновую форму В. Прочитування записаної таким чином інформації відбувається при реєстрації флуоресценції молекули В, також збуджуваною двоквантовим переходом. Флуоресценція - не єдиний, але в силу особливо високої чутливості найпривабливіший метод прочитування записаної інформації.

 

 

Рис. 5 3 - і 2-індолілфульгіди для тривимірної оптичної пам'яті

До числа кращих фотохромных систем належать фульгиды индольного ряду. Уперше їх отримали в нашому інституті, але нині активно вивчають і в інших дослідницьких центрах. Нещодавно американська компанія " ConstellationSD"(http://www.3dnews.ru/reviews/storage/fmd-rom), що починала свою діяльність в Росії, оголосила про створення першого тривимірного(багатошарового) флуоресцентного диска FMD - ROM, матеріалом для якого служать 2-индолилфульгиды і 3-индолилфульгиды(мал. 5). За твердженням фірми, перші готові до випуску зразки вміщують на десяти шарах 12-сантиметрового диска до 140 гігабайт(5-7 Гб на диску розміром з кредитну карту), причому компанія має в розпорядженні технологію, що дозволяє вдесятеро збільшити число шарів і, відповідно, щільність записуваної інформації.

 

 

Рис. 6 Діарілетени для тривимірної оптичної пам'яті

Дуже інтенсивні дослідження по створенню органічної тривимірної пам'яті ведуться в Японії під керівництвом М. Ирие. В якості об'єкту вибрані інші молекули - диарилэтены(мал. 6), але принцип їх роботи той же, що і у фульгидной системи. М. Ирие - куратор спільного проекту Міжнародного науково-технологічного центру(МНТЦ), в якому також беруть участь Інститут Органічної хімії ім. Н.Д. Зелинского РАН, Фотохімічний центр РАН і НДІ фізичної і органічної хімії Ростовського державного університету.

Інший перспективний підхід до створення молекулярної пам'яті продемонстрували нещодавно М. Рід (Йельский університет) і Д. Тур(компанія "Хьюлетт Паккард"). Вони зробили сандвіч приблизно з 1000 молекул ароматичного дитиола і помістили його між золотими електродами (рис.. 7). При певній напрузі, поданій на електроди, цей сандвіч утримує електрони(тобто зберігає цей стан в пам'яті) в течію приблизно 10 хвилин (стандартна кремнієва динамічна пам'ять DRAM утримує усього на мілісекунди).

 

 

Рис. 7 Ще один варіант молекулярної пам'яті - "електронний присосок". Сандвіч з 1000 молекул помістили між золотими електродами

При напрузі 5В ученим вдалося підтримувати струм в 0,2 мікроампера, що відповідає потоку 1012 електрони в секунду Це набагато більш того, що вони чекали після теоретичних розрахунків. Цікаво, що електрони проходять через молекулу без розсіяння тепла. Автори дослідження думають, що їх "електронний присосок", як вони її назвали, може служити прототипом нового покоління динамічної пам'яті.

Нарешті, третій компонент молекулярних комп'ютерів - провідники, що забезпечують повідомлення між молекулярними транзисторами і молекулярними облаштуваннями пам'яті. Дизайн провідників, що також мають наноскопические розміри, учені ведуть по трьох основних напрямах. Перше - це полімери, що проводять: допированный поліацетилен(Нобелівська премія 2000 року), политиофен, полианилин та ін. Друге - різні органічні провідники, які мають досить високу провідність, до 102-103 з/м. Усі вони є довгими зв'язаними молекулами, в яких електрон переноситься по ланцюгу π-связей(рис. 8).

 

 

Рис. 8 Молекулярних дротів

Якщо до кінців такого зв'язаного ланцюга приєднати металомісткі групи, те окислення або відновлення однієї з них забезпечить достатню провідність по усьому ланцюгу. Комбінуючи допированные(що проводять) і недопированные(з властивостями ізоляторів або напівпровідників) ділянки полімерів, можна отримувати електричні контури з потрібними властивостями.

 

Особливі надії покладаються на третій тип провідників - нанотрубки. Це прекрасний матеріал для молекулярної електроніки. Нанотрубки з одношаровими або багатошаровими стінками виходять при проходженні електричного розряду між двома графітовими електродами. Довжина одностінних нанотрубок може досягати мікрометрів(діаметр близько 1 нм), причому на відрізках по 150 нм зберігаються металеві властивості. Вуглецеві або боразотные нанотрубки можна заповнювати металами і отримувати таким чином одновимірні провідники, що складаються з ланцюжків атомів металів. З одностінними нанотрубками вдається зробити ще цікавіші речі.

 

 

Рис. 9 Транзистор на одній молекулі. Бакибол(60 ат. вуглецю) утримується між електродами електричними силами. Як тільки електрон встрибує всередину бакибола, відбувається зміщення електричних сил і молекула зміщується до одного з електродів і опір міняється. Електрон вистрибує - бакибол зміщується в початкове положення

За допомогою атомно-силового мікроскопа, скручувавши одношарову нанотрубку, вдалося отримати ділянки, на яких опір досягає 50 килоОм, внаслідок чого утворюється бар'єр для руху електрона. При певній напрузі можна перемикати стани одностінної нанотрубки: " що проводиться" -" що не проводиться", переміщаючи один-єдиний електрон. Фактично це прототип транзистора на одному електроні. Існує також прототип транзистора на одній молекулі, який вивчають в Корнельском і Гарвардському університетах (рис. 9).

 

Молекулярні транзистори, пам'ять і провідники - три складові частини майбутнього молекулярного комп'ютера, і в їх створенні окремо, як ми бачимо, є значні успіхи. Але найскладніше завдання - зібрати усі компоненти в працюючий пристрій. До її рішення ще далеко. Проте шлях, по якому потрібно йти, цілком ясний: це принцип молекулярного розпізнавання, відповідальний за самосборку і самоорганізацію складних ансамблів і агрегатів молекул. Цей же принцип лежить в основі походження життя, і саме його використовує природа для створення таких складних структур, як подвійна спіраль ДНК, рідкі мембрани і глобулярні протеїни. Поки це завдання не вирішене, учені припускають робити гібридні пристрої, що поєднують достоїнства молекулярного підходу з найбільш успішними технологічними варіантами, знайденими для кремнієвих технологій. Гібридні пристрої можна зробити, наприклад, використовуючи підвищену спорідненість атомів сірки в органічних молекулах до важких металів (рис. 10), особливо золоту. Так створюються контакти між металевими електродами і молекулярними провідниками.

Думка учених йде далі. Досі ми розглядали приклади, коли усі функції компонентів комп'ютера забезпечуються пересуванням електронів в складних молекулярних ансамблях. Між тим ці функції можуть узяти на себе і фотони. Вже запропоновані різні варіанти фотонних пристроїв, наприклад молекулярний фотонний транзистор (рис. 11). У фотонному транзисторі фрагмент молекули, поглинаючий квант світла(дипиррилбородифторид), грає роль стокового електроду, наступна молекула(цинковий порфірин) - провідника, а останній випромінюючий порфириновый фрагмент молекули відповідає електроду витоку. Магнієвий порфірин працює як електрод, що управляє, - затвор. Якщо окислювати цей затвор, то після поглинання світла перенесення енергії відбувається не на цинковий порфірин, а на невипромінюючий магнієвий. У комп'ютерах на подібних транзисторах, регулювання усієї його роботи відбуватиметься за допомогою світла.

 

 

Рис. 10 Гібридний пристрій: молекулярний провідник і золоті електроди

 

 

Рис. 11 Молекулярний фотонний транзистор

Ось у загальних рисах те, що чекає нас в найближчому майбутньому. Учені вважають що молекулярні комп'ютери будуть створені до 2020-2030 року. Це не означає, що існуюче покоління кремнієвих комп'ютерів повністю і відразу відімре, просто поряд з ним з'явиться потужніша генерація. А що потім? Спинтроника і комп'ютери на квантових точках, ДНК-комп'ютери.

Квантовий комп'ютер - це комп'ютер, в якому бітами виступають квантові об'єкти, наприклад спини електронів або ядер. Такий комп'ютер стане ще одним кроком вперед в порівнянні з молекулярним. У квантовому комп'ютері замість значень " 0" або " 1", як у класичного біта, у нас буде квантовий біт(ку-бит). Кубит може набувати декілька різних значень - нормованих комбінацій двох основних станів спіна, що дає велике число поєднань (рис 12). Так, 32 кубита можуть утворити близько 4 мільярдів станів, а при наборі з 300 кубитов квантовий комп'ютер в принципі здатний знайти 2300 можливих рішень - це число приблизно дорівнює числу усіх елементарних часток у Всесвіті. Вже розроблені алгоритми для квантових комп'ютерів, причому значний вклад в цю роботу внесений вітчизняними ученими.

 

 

Рис. 12 Квантові комп'ютери. Квантовий біт - це спін електрона або ядра

У тому випадку, коли роль кубитов виконують спини ядер, пов'язані спін-спіновими взаємодіями, в якості квантового комп'ютера можна використати спектрометр ЯМР. Тоді за допомогою різних імпульсних послідовностей можна задати будь-які співвідношення між кубитами. Нещодавно група Д. Оушелома(Каліфорнійський університет) повідомила про те, що їм вдалося за допомогою комбінації імпульсів трьох лазерів переміщати сигнал між квантовими кубитами. Передача сигналу займала близько ста фемтосекунд(1 фс = 10-15 с). Фірма "Хьюлетт Паккард" вивчає можливості 7-кубитового квантового комп'ютера, створеного на металоорганічній молекулі з сім'ю гетероядерними спинами(мал. 13). Віддаленіша мрія - квантові комп'ютери на квантових точках(про них "Хімія і життя" збирається написати в найближчому часі).

 

 

 

Рис. 13 7-кубитовий квантовий комп'ютер на молекулі з сім'ю гетероядерними спінами

Нарешті, трохи про ДНК-компьютинге("Хімія і життя", 2000, № 6). Л. Эйдлман(Університет Південної Каліфорнії), можливо, одним з перших в 1994 році звернув увагу на воістину велетенську інформаційну потужність ДНК. Якщо звичайний комп'ютер маніпулює поєднаннями значень " 0" і " 1", те в ДНК є чотири базові стани(А, Г, Т, Ц), відповідно багаторазово зростає число поєднань. Інформаційний потенціал ДНК-комп'ютерів - 1021 битий/грам, тобто один 1 біт/нм3, тоді як сучасний комп'ютер дає нам 1 біт на1012 нм3. ДНК-комп'ютер здатний розраховувати 1019 операцій в секунду, а останній супершвидкісний комп'ютер забезпечує не більше 1013 операцій в секунду. Звичайно, ДНК-комп'ютери не використовуватимуть для стандартної повсякденної роботи, але їх можливості дозволяють вже зараз вирішувати ряд складних завдань.

 

 

Рис. 14 Нейрони-равлики на кремнієвому чіпі

Не можна не сказати і про ще одному напрямі наукового пошуку. У Німеччині, в Інституті Макса Планка, зростили неорганічний кремнієвий чіп з нейронами равлика (рис. 14). Найголовніше, що нейрони відповіли на імпульс, спочатку поданий на кремнієву пластину, і навпаки. Унікальне поєднання хімії, біології і фізики в повній гармонії!

Свій невеликий огляд того стану, в якому зараз знаходяться інформаційні технології, слід закінчити словами У. Черчіля, які він вимовив, звичайно, не про молекулярні комп'ютери, а про перелом у військових діях в Другій світовій війні: "Це ще не кінець, це навіть не початок кінця. Але можливо це - кінець початку".