МОЛЕТРОНИКА

В 1965 году, на заре компьютерной эры, директор отдела исследовательской компании Fairchild Semiconductors Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на микросхеме будет ежегодно удваиваться. Прошло уже 35 лет, а "закон Мура" по-прежнему действует. Правда, со временем практика микроэлектронного производства внесла в него небольшую поправку: сегодня считается, что удвоение числа транзисторов происходит каждые 18 месяцев. Такое замедление роста вызвано усложнением архитектуры микросхем. И все же, для кремниевой технологии предсказание Мура не может выполняться вечно.

Первое, наиболее очевидное ограничение на "закон Мура" связано с непомерным ростом стоимости производства все более сложных устройств. За последние 30 лет оборудование для выпуска микросхем подорожало примерно в 1000 раз. Если так пойдет и дальше, то еще через десять лет для выполнения "закона Мура" придется тратить десятки миллиардов долларов на строительство фабрики по изготовлению микросхем. При этом рост затрат будет превышать рост доходов. Уже сегодня корпорация Intel вкладывает в свои производства миллиарды долларов ежегодно. Ничего не поделаешь: технологический прогресс ограничивается финансовыми реалиями.

Но есть и другое, принципиальное ограничение на "закон Мура". Возрастание плотности размещения элементов на микросхеме достигается за счет уменьшения их размеров. Уже сегодня расстояние между элементами процессора может составлять 0,13х10^-6 метра (так называемая 0,13-микронная технология). Когда размеры транзисторов и расстояния между ними достигнут нескольких десятков нанометров (1 нанометр равен 10^-9 метра), вступят в силу так называемые размерные эффекты - физические явления, полностью нарушающие работу традиционных кремниевых устройств. Кроме того, с уменьшением толщины диэлектрика в полевых транзисторах растет вероятность прохождения электронов через него, что также препятствует нормальной работе приборов.

Многие специалисты связывают будущее кремниевой электроники с переходом к трехмерной архитектуре микросхем, позволяющей при тех же размерах элементов разместить гораздо большее их число в одном кристалле кремния. (В применяемой сейчас планарной технологии все элементы микросхемы располагаются в одной плоскости на поверхности кристалла.) Однако переход на трехмерную технологию не может принципиально решить упомянутую выше проблему размерных эффектов.

Еще один путь повышения производительности - применение вместо кремния других полупроводников, например арсенида галлия (GaAs). За счет более высокой подвижности электронов в этом материале можно увеличить быстродействие устройств еще на порядок. Однако технологии на основе арсенида галлия намного сложнее кремниевых. Поэтому, хотя за последние два десятка лет в исследование GaAs вложены немалые средства, интегральные схемы на его основе используются в основном в военной области. Здесь их дороговизна компенсируется низким энергопотреблением, высоким быстродействием и радиационной устойчивос тью. Однако и при разработке устройств на GaAs остаются в силе ограничения, обусловленные как фундаментальными физическими принципами, так и технологией изготовления.

Вот почему сегодня специалисты в разных областях науки и техники ищут альтернативные пути дальнейше го развития микроэлектроники. Один из путей решения проблемы предлагает молекулярная электроника, или молетроника.

Представьте себе транзистор, состоящий всего из одной молекулы. Если из миллиарда таких транзисторов построить процессор - он будет не больше песчинки. При этом его производительность возрастет в сотни или даже тысячи раз по сравнению с современными компьютерами, а энергопотребление станет существенно меньше. Такие "молекулярные процессоры" можно будет встраивать в любые, даже самые крошечные устройства, внедрять их в волокна ткани, превращая одежду в надеваемый компьютер (см. "Наука и жизнь" № 9, 2000 г.). "Молекулярные блоки памяти" обеспечат плотность хранения данных, немыслимую для полупровод никовых микросхем. Так, по прогнозу биохимика Мак-Алира, одного из пионеров молетроники, плотность размещения молекулярных элементов в трехмерной схеме может составить 10¹² _10¹⁵ мм^-3. А это в 10⁶ раз выше, чем в нервных волокнах! (Соответственно и скорость передачи информации будет в 10⁶ раз больше.)

Все это, конечно, напоминает фантастику. Однако многие специалисты предсказывают появление первой молекулярной микросхемы уже через пару лет, а начало промышленного производства молекулярных компьютеров- в 2005-2015 годах. Сегодня в США вкладываются огромные средства в развитие этой области. Так, Агентство перспективных оборонных исследований (DARPA) развернуло грандиозную программу по созданию элементной базы молекулярного компьютера, в которую уже включились, к примеру, такие промышленные гиганты, как Hewlett-Packard.

Впервые идея использовать органические молекулы в качестве элементной базы микроэлектроники возникла в 1974 году, когда ведущие ученые фирмы IBM А. Авирам и М. Ратнер предложили модель выпрямителя (диода), состоящего из одной органической молекулы. Две половинки этой молекулы обладают противополож ными свойствами по отношению к электрону: одна может только отдавать электрон (донор), а другая - только принимать (акцептор). Если поместить такую асимметричную молекулу между двумя металлическими электродами, то вся система будет проводить ток только в одном направлении.

Предложения Авирама и Ратнера о создании молекулярных систем с направленной электронной проводимо стью инициировали экспериментальные работы по синтезу и изучению свойств таких молекул. Выдвигались также идеи создания на их основе аналога полупроводникового транзистора за счет внедрения между донорной и акцепторной частями молекулы дополнительной управляющей молекулярной группировки (затвора), свойства которого могут быть изменены каким-либо воздействием (подачей напряжения, освещением и т. п.). Если соединить два таких транзистора, получится аналог полупроводникового триггера (или вентиля) - устройства, которое может переключаться между двумя устойчивыми состояниями, выполняющими роль логического "0" и "1". А это, по сути, базовый элемент любого компьютера, работающего по принципу бинарной (двоичной) логики.

Следующим важным шагом в развитии молекулярной схемотехники стал отказ от простого копирования полупроводниковых схем с заменой в них обычных транзисторов на молекулярные. Дело в том, что существует множество как природных, так и синтезированных человеком молекул, которые сами по себе могут служить логическими элементами. Их разделяют на два типа. К первому относятся молекулы, обладающие двумя устойчивыми состояниями, которым можно приписать значения "0" и "1". Научившись переключать их из одного состояния в другое с помощью внешних воздействий, мы фактически получим уже готовый вентиль. Молекулы второго типа содержат фрагменты, способные выполнять роль упомянутых выше управляющих группировок. Одна такая молекула может работать как логически активный элемент НЕ-И, НЕ-ИЛИ и т. д. (при этом управляющие группировки будут служить "входами" элемента).

На основе уникальных свойств органических молекул уже сегодня разработано множество вариантов схем для гипотетического молекулярного компьютера.

Что же должен включать в себя молекулярный компьютер? Очевидно, что его основные компоненты должны быть теми же, что и у обычного компьютера: система ввода информации, вычислительный блок (процессор), система хранения информации (память) и, наконец, система вывода информации. Ну и, конечно, провода и блок питания.

Процессор , по всей видимости, будет состоять из молекулярных логических элементов. Приведем несколько примеров уже существующих разработок.

1. В качестве триггеров удобнее всего использовать молекулы, имеющие изомерные формы, которые обладают одинаковой молекулярной массой и составом, но различаются строением или расположением атомов в пространстве. Некоторые из них можно переводить из одной формы в другую путем внешнего воздействия. Например, молекула соединения типа спиробензипирана может быть переключена из состояния "0" в состояние "1" с помощью ультрафиолетового излучения, а в обратом направлении с помощью света видимого диапазона. На основе такого триггера можно строить как устройства оперативной памяти, так и элементы, выполняющие логические функции. Стоит отметить, что подобные фотопереключаемые системы играют важную роль в процессах зрительного восприятия у животных и фотосинтеза у растений: поглощая фотон, молекулы родопсина и хлорофилла претерпевают структурные перестройки, меняя при этом свою реакционную способность.

2. В последнее время в нескольких научных центрах разработаны и запатентованы переключающие элементы на зеркально-симметричных - хиральных (от греч. хирос - рука) - изомерах, которые также могут применяться для хранения и обработки информации: функции логических "0" и "1" выполняют "правая" и "левая" формы молекулы. Переключение такого триггера, называемого хироптическим, из одного состояния в другое производится при одновременном действии света и электрического поля: свет сообщает молекуле энергию, необходимую для перехода в новое состояние, а электрическое поле задает направление переключе ния. Считывание информации производится оптическим способом (см. "Наука и жизнь" № 6, 2000 г.).

3. Недавно компания Hewlett-Packard объявила о своих успехах в изготовлении логических вентилей на основе молекул ротаксанов. Такой вентиль состоит из молекул двух типов: циклической (так называемой "бусины") и линейной ("нити"). В работающем устройстве "бусина" оказывается нанизанной на "нить", располагаясь на ней в одном из двух возможных устойчивых положений. Переход из одного положения в другое, то есть переключение вентиля, происходит за счет изменения кислотно-щелочного баланса среды. Такой переход является обратимым, и им можно управлять с помощью электрических сигналов. В процессе переключения значительно сдвигается полоса поглощения света молекулами ротаксанов, что дает возможность считывать информацию оптическим способом. Молекулы ротаксанов могут быть объединены в полимерные цепи различной длины и сложности, которые будут выполнять логические функции за счет передачи сигнала переключения вдоль цепей.

4. Рассмотрим еще один вариант молекулярных устройств, способных выполнять логические операции. Представьте себе длинную молекулу, состоящую из двух типов чередующихся структурных группировок, одни из которых служат потенциальными ямами, а другие - потенциальными барьерами для прохождения электрона вдоль молекулы. Таким образом эта молекулярная цепочка представляет собой "полосу препятствий" для электрона. Исходное состояние молекулы задается так, что электрон может легко пройти ее (за счет эффекта резонансного туннелирования). Однако стоит только воздействием на одну из группировок изменить высоту барьера или глубину ямы - и прохождение электрона станет невозможным. Допустим, наша молекула имеет четыре потенциальные ямы, глубиной которых мы можем управлять путем оптического или электрического воздействия. Тогда она способна работать как логический элемент НЕ-И с четырьмя входами. То есть электрон через молекулярную цепочку будет проходить только в те моменты, когда сигнал на всех четырех входах отсутствует.

Используя в качестве строительных блоков хотя бы одно из вышеперечисленных молекулярных устройств, теоретически можно построить схему, выполняющую любые сколь угодно сложные логические операции и вычисления. Из этих же элементов можно создавать и блоки оперативной памяти (ОЗУ), а также постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Для работы последних необходимо, чтобы время жизни используемых в них молекул в том или ином состоянии было достаточно велико. Только тогда информация сможет храниться длительное время.

Итак, у нас уже есть набор необходимых базовых элементов молекулярного компьютера. Как же объединить их в единый вычислительный комплекс? Современные методы химического синтеза позволяют "сшивать" большие органические молекулы, химически соединяя "выходы" одних логических элементов с "входами" других.

Один из методов "молекулярной архитектуры" - построения объемных схем молекулярных устройств - технология Меррифилда, разработанная еще в начале 70-х годов для получения полипептидов с заданной последовательностью аминокислот. На основе этого метода сотрудник Центра молекулярной электроники фирмы IBM доктор Дж. Линдсей создал управляемый компьютером синтезатор, предназначенный для конструирования сложных молекул - компонентов компьютера на молекулярной основе. В процессе синтеза базовая молекула химически присоединяется к пластиковой сфере малого диаметра. (В реакторной камере содержатся тысячи таких сфер.) Добавление химических соединений в камеру осуществляется специализи рованным манипулятором под управлением ЭВМ. Компьютер контролирует также температуру, кислотность среды и т. д., периодически анализирует продукт реакции для того, чтобы обеспечить правильное его формирование. В ходе определенной последовательности химических реакций, предварительно смоделиро ванных на ЭВМ, к базовой молекуле, прикрепленной к пластиковой сфере, добавляются новые молекулы. В процессе синтеза, продолжающегося иногда несколько дней, под управлением компьютера строятся очень сложные молекулы, причем каждая из них оказывается точной копией прототипа, описание которого хранится в памяти машины.

Синтез идет по модульному принципу. На первом этапе синтезируются молекулярные вентили. На втором этапе из них конструируются более сложные соединения, способные выполнять функции логически активных элементов. Полученные компоненты можно затем использовать для конструирования молекулярного компьютера.

При выполнении каждого шага синтеза необходимо четко понимать, какие химические процессы происходят в камере. Этого нельзя достичь без машинного моделирования. Кроме того, для сложного синтеза необходимо использовать, по возможности, процессы самоорганизации. В данном случае принцип самоорганиза ции означает, что в ходе синтеза добавочные звенья автоматически прикрепляются к молекулярному соединению в нужных местах. Таким образом, конечный продукт каждой реакции самоорганизуется так, чтобы полностью определять ход последующих реакций.

Теоретически можно также соединять отдельные молекулярные компоненты "проводами", например, из так называемых углеродных нанотрубок - цилиндрических структур диаметром в несколько нанометров - или из токопроводящих полимеров, называемых иногда "органические металлы". Работы по созданию полимеров-проводников были начаты еще в 70-х годах. С тех пор они уже нашли массу применений в обычной электронике. В 2000 году авторам первых работ в этой области - американским ученым А. Хигеру, А. Мак-Диармиду и японскому ученому Н. Ширакаве присудили Нобелевскую премию по химии.

Остается еще проблема ввода и вывода информации . Устройства ввода информации пользователем в молекулярный компьютер, в принципе, могут остаться теми же, что и в настоящее время (клавиатура, мышь, входные порты и т. д.). Однако, поскольку процессы хранения и переработки информации в молекуляр ной электронике носят специфический характер (отдельные части одного и того же компьютера могут работать с информацией, представленной в разных формах - электрической, оптической, химической и др.), встает проблема сопряжения вычислительных блоков между собой, а также с внешними электронными устройствами. То есть необходимо иметь преобразователи сигнала из одной формы в другую.

Для построения химических (газовых) сенсоров уже давно используются преобразователи сигнала из химической формы в электрическую и обратно. Что касается преобразования электрических сигналов в оптические, то для этого подходят молекулярные аналоги светодиодов и лазеров, в которых используются светоизлучающие молекулы (хромафоры). Недавно появилось сообщение японских ученых о создании светоизлучающего устройства, состоящего из одной органической молекулы дендромера.

Если для вывода и отображения информации в молекулярном компьютере использовать уже существую щие сегодня устройства (мониторы, проекторы и т. п.), то, как и в случае с вводом, необходимо просто иметь соответствующие преобразователи сигналов. Вместе с тем молекулярная электроника предлагает свои пути решения этой проблемы. Например, разрабатываются молекулярные устройства, на основе которых могут быть созданы сверхтонкие жидкокристаллические мониторы. Для этого под слой жидких кристаллов наносится тонкая органическая пленка, обладающая ориентирующим эффектом. На каждую молекулу пленки поступает сигнал из компьютера, меняющий ее конформацию и соответственно ориентацию нанесенного сверху слоя жидких кристаллов, а также его отражательные свойства. Таким образом полученная структура может служить для вывода информации на экран.

По сходному принципу работают так называемые "электронные таблетки" - экраны небольшого размера, покрытые слоем хиральных жидких кристаллов, молекулы которых могут менять тип симметрии в зависимости от ориентации подложки, изменяя при этом и окраску. Такие таблетки на полиимидных подложках с внедренными молекулами азокрасителей позволяют записывать с помощью поляризованного света лазера и отображать очень большой объем информации, в результате чего они получили название "газеты будущего". Такие структуры могут создаваться и на гибкой полимерной подложке, что делает их еще более удобными для использования.

Второй возможный тип устройств отображения информации - это органические светодиоды, то есть активные излучающие устройства на основе p-n переходов, созданных из органических материалов. Такой светодиод состоит из одного или нескольких слоев органических молекул, помещенных между двумя электродами. Излучение света диодом происходит за счет взаимного уничтожения (аннигиляции) положительных и отрицательных зарядов в слое органического материала. Эти заряды могут поступать на светодиод непосредственно из молекулярного компьютера. Стоит отметить, что используемые в диоде электроды могут быть изготовлены не только из металла, но и из органических материалов, например на основе полианилина или полиацетилена. На сегодняшний день уже достигнут значительный прогресс в получении высоких значений эффективности светодиодов, в понижении их рабочих напряжений, а также в выборе цвета излучения. Разработаны устройства с эффективностью несколько люмен на ватт и со сроком службы несколько тысяч часов.

Хотя теоретические основы молетроники уже достаточно хорошо разработаны и созданы прототипы практически всех элементов логических схем, однако на пути реального построения молекулярного компьютера встают значительные сложности. Внешне очевидная возможность использования отдельных молекул в качестве логических элементов электронных устройств оказывается весьма проблематичной из-за специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых к логическим элементам.

В первую очередь логический элемент должен обладать высокой надежностью срабатывания при подаче управляющего воздействия. Если рассматривать оптическую связь между элементами, то в системе одна молекула - один фотон надежность переключения будет невелика из-за относитель но малой вероятности перехода молекулы в возбужденное состояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность, используя одновременно большое число квантов. Но это противоречит другому важному требованию: КПД преобразования сигнала отдельным элементом должен быть близок к единице, то есть средняя мощность реакции должна быть соизмерима со средней мощностью воздействия. В противном случае при объединении элементов в цепь вероятность их срабатывания будет уменьшаться по мере удаления от начала цепи. Кроме того, элемент должен однозначно переключаться в требуемое состояние и находиться в нем достаточно долго - до следующего воздействия. Для сравнительно простых молекул это требование, как правило, не выполняется: если переходом в возбужденное состояние можно управлять, то обратный переход может происходить спонтанно.

Однако не все так плохо. Использование больших органических молекул или их комплексов позволяет, в принципе, обойти перечисленные трудности. Например, в некоторых белках КПД электронно-опти ческого преобразования близок к единице. К тому же, для больших биоорганических молекул время жизни возбужденного состояния достигает десятков секунд.

Но даже в том случае, если отдельный молекулярный вычислительный элемент и не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников, эффективной работы будущего компьютера можно достичь, комбинируя принципы молетроники и параллельных вычислений, применяемых в суперкомпью терах (см. "Наука и жизнь" № 5, 2000 г.). Для этого надо заставить несколько одинаковых молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогда неправильное срабатывание одного из них не приведет к заметному сбою в вычислениях. Современный суперкомпьютер, работающий по принципу массивного параллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, может сохранять высокую производи тельность даже в том случае, если 75% из них выйдет из строя. Практически все живые системы используют принцип параллелизма. Поэтому несовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов не мешает им эффективно функционировать.

Сегодня в мире существует уже более десятка научно-технологических центров, занимающихся разработкой устройств молекулярной электроники. Ежегодные конференции (в 1999 году прошла уже 13-я такая конференция) собирают сотни специалистов в этой области.

Большой интерес к молетронике вызван не только перспективами построения компьютера, но и широкими возможностями развития новых технологий. Благодаря высокой чувствительности молекуляр ных электронных устройств к свету их можно использовать для создания эффективных преобразова телей солнечной энергии, моделирования процесса фотосинтеза, разработки нового класса приемников изображения, принцип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза. Молекулярные устройства можно использовать также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только на определенный тип молекул. Такие сенсоры необходимы в экологии, промышленности, медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживлять в организм человека с целью контроля за его состоянием.

Для решения стоящих перед молекулярной электроникой проблем нужны усилия широкого круга ученых, работающих в области академических знаний от коллоидной химии и биологии до теоретической физики, а также в области высоких технологий. Кроме того, требуются значительные финансовые вложения.

Необходима также подготовка новых высококвалифицированных кадров для работы в этой сложной области, лежащей на стыке наук. В связи с этим в издательстве МГУ
им. М. В. Ломоносова готовится к выходу первый в России учебник по молекулярной электронике.
Кандидат физико-математических наук В. Зайцев, А. Шишлова,
сотрудники кафедры Общей физики и молекулярной электроники
физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.