Molekylær computing

For Mark Reed er fremtiden for molekylær elektronik netop ankommet. En selvskreven enhedsfyr, Reed, som leder Yale Universitys elektroingeniørafdeling, er stolt af at have en udpræget praktisk tilbøjelighed. Spørg ham om muligheden for en dag at bruge molekyler til at erstatte silicium i computere, der er milliarder af gange hurtigere end nutidens pc'er, eller som passer på hovedet af en nål, og han grimaserer. Jeg ved ikke, hvordan man gør det. Det tror jeg ikke nogen gør, siger han afvisende.

Men det dæmper ikke den begejstring, som Reed, en førende forsker i molekylær elektronik, føler. Ved hjælp af molekyler syntetiseret af Rice University kemiker James Tour, har Reed fremstillet elektroniske minder og et simpelt logisk element, der består af molekyler, der fungerer som små, individuelle kontakter. Enhederne, som er afhængige af små organiske molekyler skræddersyet af Rice-kemikerne til at have de helt rigtige elektroniske egenskaber, er rå laboratorieeksperimenter. Men de virker - molekylerne fungerer som en komponent i ultrasmå elektroniske enheder, der er i stand til at tænde og slukke for strømmen. Hvad mere er, har disse tidlige prototyper allerede vist hints om at udføre hukommelses- og logiske tricks, som ikke er mulige med siliciumhalvledere.

Denne historie var en del af vores maj 2000-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mest imponerende, siger Reed, er, at de molekylære enheder er forbavsende nemme og potentielt billige at lave. Man dypper blot en siliciumwafer foret med metalelektroder i et bæger fyldt med de rigtige kemikalier og giver molekylerne et par minutter til at danne sig på elektroderne. Hvis du er klog nok med kemien, er det muligt at lokke molekylerne til spontant at orientere sig på elektroderne. Det fungerer smukt - og det virker hver gang, siger Reed.

Det kan virke hver gang, men der er betydelig uenighed om, hvad disse kemiske reaktioner nogensinde vil udgøre. Mens sande troende forestiller sig en verden, hvor mikroskopiske molekylære computere fremstillet til lave omkostninger udfører bemærkelsesværdige beregninger, tror skeptikere, at feltet har mistet den virkelige verden af ​​tekniske grænser af syne. I mellemtiden tror enhedsfolk som Reed, at fremtiden - i form af brugbare prototyper, der kan integreres med konventionel siliciumteknologi - er nu.

Kernefordelen ved molekylær databehandling er potentialet til at pakke langt flere kredsløb på en mikrochip, end silicium nogensinde vil være i stand til - og at gøre det billigt. Halvlederproducenter kan nu proppe omkring 28 millioner transistorer på en chip ved at krympe de mindste funktioner i transistorerne ned til omkring 180 nanometer (milliarddele af en meter). Ved at bruge konventionelle chipfremstillingsmetoder, jo mindre du laver en funktion, desto dyrere og vanskeligere bliver processen. Mange halvledereksperter tvivler på, at kommercielle fremstillingsmetoder økonomisk kan gøre siliciumtransistorer meget mindre end 100 nanometer. Og selv hvis chipproducenter kunne finde ud af en rimelig måde at ætse dem på en chip, ville ultrasmå siliciumkomponenter sandsynligvis ikke fungere: Ved transistordimensioner på omkring 50 nanometer begynder elektronerne at adlyde mærkelige kvantelove og vandrer, hvor de er. ikke formodes at være.

Molekyler er på den anden side kun få nanometer store, hvilket muliggør chips, der indeholder milliarder - ja trillioner - af kontakter og komponenter. I indledende eksperimenter har forskere lagt et stort antal molekyler ind mellem metalelektroder. Enhederne fungerer dog, fordi hvert molekyle fungerer som en switch. Hvis det var muligt at koble et lille antal molekyler sammen som individuelle elektroniske komponenter for at danne kredsløb, ville resultatet ændre alt i computerdesign. Molekylær hukommelse kan have en million gange så stor lagringstæthed som nutidens bedste halvlederchips, hvilket gør det muligt at gemme livets oplevelser i en gadget på størrelse med et armbåndsur. Supercomputere kunne være små nok og billige nok til at blive integreret i tøj. Bekymringer om, at computerteknologi snart rammer en mur, ville forsvinde.

Disse ansøgninger er årtier tilbage, hvis de nogensinde bliver til noget. Alligevel, hævder Reed, kan nogle anvendelser af molekylær elektronik snart være mulige. Ultrasmå, billige molekylære enheder kunne sidde side om side med silicium, hvilket reducerer antallet af transistorer og den effekt, der kræves af kredsløbet. Det er noget, man kunne bruge i dag, noget man kunne sælge i Radio Shack, siger Reed. Dette har en chance for totalt at ændre økonomien i silicium.

For at gøre det til en realitet har Reed, Tour og kemikere fra Pennsylvania State University været med til at stifte en startup kaldet Molecular Electronics. Gruppen afviser at sige, hvad de oprindelige produkter vil være, men Tour siger, at det ikke virker urealistisk at have et fungerende system om et par år.

Indtil for ganske nylig ville den forudsigelse have virket langt ude. Men i det sidste år har feltet taget et spring fra teori til det praktiske. Ligesom deres konkurrenter på Yale og Rice har et vestkystsamarbejde mellem kemikere og dataloger fra Hewlett-Packard og University of California, Los Angeles, for nylig karakteriseret molekyler, der er i stand til at fungere som elektroniske switches og hukommelse (se tidligere udgave: Computing After Silicon , TR september/oktober 1999). R. Stanley Williams, der leder indsatsen hos HP, siger, at hans team forventer at bygge en prototype af et logisk kredsløb, der integrerer et lille antal molekylære enheder i nanoskala inden for 18 måneder. Vi har kontakter og ledninger - komponenterne til faktisk at lave ægte nanokredsløb, siger Williams.

Opskriften

I teorien er det i det mindste ligetil at samle en molekylær elektronisk enhed. I den version af opskriften, som HP/UCLA-samarbejdet favoriserer, laver forskerne først et enkelt monolag af de rigtige organiske molekyler i et kemisk apparat kaldet et Langmuir-trug; de dypper derefter et siliciumsubstrat dækket af et mønster af metalelektroder i truget. Hvis kemien er helt rigtig, vil molekylerne binde sig til metalelektroderne og orientere sig pænt. Et andet sæt elektroder afsættes derefter på molekylerne; resultatet er et monolag af de organiske molekyler klemt mellem metalelektroder.

Udfordringen er, at de fleste organiske molekyler slet ikke er elektriske ledere - det er ligegyldigt at have de elektroniske egenskaber, der lader dem fungere som en effektiv switch. Det, der skal til for at få systemet til at fungere elektronisk, er specielt skræddersyede molekyler, der tænder og slukker gentagne gange på en pålidelig og detekterbar måde (de egenskaber, der har gjort silicium så vellykket). At komme med molekyler, der er i stand til at gøre tricket, er domænet for kemi-troldmænd som Rice's Tour og UCLA's James Heath og Fraser Stoddart.

Deres trolddom begyndte at betale sig i stor stil sidste efterår. Først udgav HP/UCLA-gruppen et papir, der beskriver, hvad der i virkeligheden er en molekylær sikring - en engangsafbryder baseret på et komplekst, håndvægtformet organisk molekyle kaldet rotaxane; forskerne har efterfølgende lavet reversible kontakter. De viste også, hvordan enheden kunne udføre simple logik- og hukommelsesfunktioner. Inden for måneder konkurrerede Yale/Rice-samarbejdet med denne bedrift ved at beskrive syntesen af ​​andre organiske molekyler, der fungerer som elektroniske enheder.

På trods af forskellene i molekylære detaljer, udnytter de to forskergrupper de samme kvanteeffekter, som i sidste ende kan sætte fundamentale grænser for siliciumhalvledere. Molekylerne, der adskiller de to elektroder, vil normalt blokere strømmen. I de enkelte molekylers nanoverden kan elektroner imidlertid tunnelere gennem en barriere, der ifølge klassisk fysik burde blokere deres vej. Ved at manipulere en spænding placeret på tværs af elektroderne kan forskerne justere tunneleringshastigheden og dermed slå strømmen til eller fra.

Reed er allerede begyndt at tænke på måder at bruge molekylære enheder i kombination med konventionelt silicium. En type kvantelogisk gate, som Reed for nylig har bygget, ville for eksempel udføre den samme specialiserede funktion som syv meget større siliciumtransistorer, hvilket væsentligt reducerer størrelsen og strømforbruget af et integreret kredsløb. Og mens fremstilling af konventionelle transistorer kræver kompleks og dyr behandling, kan den molekylære enhed limes på kredsløbet, siger Reed.

Molekyler kunne også give ultra-billig elektronisk hukommelse med nogle attraktive egenskaber. Den mest almindelige type halvlederhukommelse kaldes DRAM, til dynamisk random access memory. (Dette er den korttidshukommelse, din computer er afhængig af, når den kører et program.) Problemet med DRAM er, at den lagrede information fordamper, når strømmen slukkes - den er flygtig. Det er grunden til, at du skal starte Windows op, hver gang du tænder for din computer, og flytte programmet fra din harddisk til DRAM-chipsene. Men en eksperimentel molekylær enhed Reed lavet sidste efterår holder data i mere end 10 minutter efter, at strømmen er slukket. Antag, at vi kan få det op til flere år, siger Reed. Det ville i det væsentlige være ikke-flygtig hukommelse. Forestil dig, hvor mange gange du ikke behøver at starte Windows op.

Selvom disse tidlige applikationer er verdener væk fra de milliardtransistormolekylære computere, som entusiaster forestiller sig, kunne de vise værdien af ​​organiske molekyler som et elektronisk materiale. De er en kamels næse under teltet, siger Reed og tilføjer, at disse hybridenheder allerede er meget realistiske. De er det første skridt på vejen til mere komplekse [molekylære] kredsløb.

Det er dog sandsynligvis en lang vej. Selv en simpel computer lavet af molekylære komponenter er mindst et årti væk – og så kun hvis vi bliver rigtig kloge, erkender Williams. Men HP-kemikeren siger, at hans gruppe allerede er på vej. I deres indledende prototyper har de californiske forskere fremstillet de øverste og nederste metaltråde som vinkelrette gitter, hvilket skaber en tværstangsstruktur med molekylerne siddende ved ledningernes kryds. Indtil videre har gruppen lavet enheder med metalkontakter, der er tusindvis af nanometer i diameter; der er millioner af molekyler ved hvert kryds. Men Williams siger, at gruppen senere på året forventer at have ledninger, der måler et par nanometer på tværs. Det gav ikke mening at gøre alt hårdt med det samme. Så vi brugte meget større ledninger. Nu laver vi eksperimenterne for at skifte til mindre ledninger og foretage målingerne.

De næsten perfekte kandidater til sådanne små ledninger er strukturer kendt som kulstofnanorør. Disse regelmæssigt formede rør, kun nogle få nanometer i diameter, kunne være fremragende kanaler for elektroner, der suser gennem et molekylært kredsløb. Problemet er, at nanorør har en tendens til at dannes som et sammenfiltret rod langt fra de pænt ordnede arrays, der er nødvendige for at fremstille komplekse kredsløb. At bygge enhver struktur med nanorør er nu en kunstform, siger fysiker Paul McEuen fra University of California, Berkeley. Vi smider dem stort set ned på jorden og leder efter [den struktur], vi ønsker.

HP/UCLA-gruppen er overbevist om, at de vil løse ledningsproblemet. Til sidst vil nanorør blive brugt. Deres elektroniske og fysiske egenskaber er så ønskværdige, siger Williams. For nu, siger han, arbejder gruppen også på silicium nanotråde. Og, lover Williams, med eller uden kulstof-nanorør, i sensommeren vil forskerne nedskalere enhedernes samlinger til mindre end 10 nanometer. De kortsigtede mål er en 16-bit hukommelse, der er 100 nanometer på en side, og kort efter det en tilsvarende størrelse logisk enhed. Disse rudimentære kredsløb truer måske ikke siliciums regeringstid, men de kunne være en milepæl i at hjælpe med at bevise, at molekylær elektronik er gennemførlig.

Men så kommer den virkelig skræmmende del: at omdanne disse simple enheder til komplekse logiske kredsløb og integrere dem i en egentlig computer. En af de sanktioner, du betaler for at lave mikroelektronik baseret på kemi, er, at i modsætning til siliciumchips fremstillet i højteknologiske fabrikker, vil molekylære enheder syntetiseret i beholdere med kemikalier i sagens natur være fulde af defekter. På skalaen af ​​individuelle molekyler er kemi givet til statistiske udsving - nogle gange virker det, og nogle gange gør det ikke. Men det er her, at HP/UCLA-forskerne hævder, at de har fået deres vigtigste gennembrud.

Deres svar: software, der overvinder defekterne. For adskillige år siden byggede dataloger hos HP en supercomputer kaldet Teramac, ved at bruge defekte siliciumchips, så defekte, at de blev betragtet som værdiløse. HP-forskerne brostede disse afviste chips til en computer ved at udvikle en tværbjælkearkitektur, der gør det muligt at forbinde enhver input med enhver udgang. Når hardwaren var bygget, blev computeren programmeret til at identificere og lede rundt om eventuelle defekter. Systemet fungerede - og dets massive parallelitet gav en arketype, som de californiske videnskabsmænd planlægger at bruge til deres molekylære computer.

En kemiker, der arbejder på en computer, er en bizar ting. Man kan ikke gå til en kemiker og bede dem om at bygge en computer, siger Heath, en af ​​UCLA-forskerne, som hjælper med at syntetisere de nødvendige komponenter. Men, siger han, Teramac-arkitekturen har givet HP/UCLA-gruppen et klart defineret mål. Softwaren vil gøre det til en maskine, siger Heath. Den molekylære computer er måske langt væk, erkender han. Men der er ingen grund til, at det ikke vil virke.

Verden imellem

Mens folk som Heath er glade, har teknologien sin andel af tvivlere. Området for molekylær elektronik er forelsket i sig selv, siger Rick Lytel, en datalog hos Sun Microsystems. På trods af sin skepsis holder Lytel dog skarpt øje med feltet for Sun og udvikler specifikationer til at teste og evaluere prototype molekylære enheder. Han mener, at molekylær elektronik i sidste ende kan finde anvendelse som hukommelsesenheder. Men Lytel siger, at mange af hans kolleger på området har narret sig selv til at tro, at de kun er et skridt væk fra markedspladsen.

Selv troende på udsigterne for molekylær elektronik er uenige med hinanden om den rolle, teknologien vil spille inden for beregning og elektronik. Tag Mark Ratner, en kemiker ved Northwestern University, der generelt betragtes som en af ​​bedstefædrene på området. Ratner tvivler på, at molekyler nogensinde vil konkurrere direkte med silicium i komplekse beregningsopgaver. Man vil gerne bruge molekyler til det, de er bedst til, og til at kompensere for, hvor silicium kommer til kort, siger Ratner. Især peger han på deres evne til at genkende og reagere på andre molekyler. Ved at kombinere disse funktioner med de nyudviklede elektroniske egenskaber kan du lave små sensorer og aktuatorer, der registrerer og reagerer intelligent på biologiske og kemiske spor. Det kan, siger Ratner, muliggøre implanterbare biochips, der indeholder sensorer og aktuatorer lavet af molekylær elektronik, der registrerer kroppens behov og reagerer ved at udlede en passende dosis medicin.

For denne pioner inden for molekylær elektronik kunne feltets sande potentiale realiseres ved at bringe mikroelektronikkens verden sammen med biologiens og molekylernes verden. Molekylær elektronik, foreslår Ratner, kunne være den brik i puslespillet, der endelig er med til at bygge bro over det materielle gab mellem biologi og databehandling.

Molekylær prøveudtager Organisation Nøgleforskere Fokus Delft University of Technology Cees Dekker Brug af kulstof nanorør som nanotråde og elektroniske enheder; har bygget en transistor ud af et enkelt nanorør Harvard University Charles Lieber Syntetisering af arrays af kulstof nanorør, der kan fungere som både ledninger og elektroniske enheder Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Kemisk samling af arrays af rekonfigurerbare switches til hukommelse og logik; Målet er at bygge en molekylær computer. IBM Research Phaedon Avouris Studerer egenskaberne af nanorør; har lavet en transistor af et enkelt nanorør Rice University James Tour Udvikling af en selvsamlet computer med et stærkt sammenkoblet netværk af logik og hukommelse; har syntetiseret molekyler med ønskværdige egenskaber University of Colorado Josef Michl Opbygning af en molekylær computer; har lavet passende molekyler og korte ledninger Yale University Mark Reed samarbejder med Rice University om at bygge en molekylær computer; har fremstillet molekylære switche og hukommelsesenheder

skjule