4.3. Молекулярная электроника

4.3. Молекулярная электроника

При размышлениях о смене парадигмы в вычислительной технике и новых материалах на следующий период развития (его можно назвать посткремниевым) сразу вспоминается молекулярная электроника, которая постепенно становится нанотехнологической альтернативой КМОП-транзисторам. Молекулярные переключатели обещают революцию в вычислительной технике, так как они позволят вместо планарного формирования элементов КМОП-структур (методами осаждения) использовать их объемные сочетания, что приведет к решительным изменениям в методах производства и компоновки схем. Возможно, в начальный период такие молекулярные переключатели будут применяться лишь в некоторых «узких местах» схем, чтобы можно было дольше использовать процессы и стандартные внешние соединения, к которым привыкли специалисты за десятилетия развития кремниевой технологии.

Например, нанотехнологическая фирма Nantero в Вобурне (штат Массачусетс) использует углеродные нанотрубки, «подвешенные» к металлическим электродам на кремнии таким образом, что они образуют так называемые энергонезависимые запоминающие устройства (nonvolatile memory), или чипы с очень высокой плотностью соединений. Идея метода заключается в том, что слабые молекулярные (ван-дер-ваальсовские) силы способны удерживать изогнутые нанотрубки в заданном положении практически бесконечно долго, не требуя дополнительных затрат энергии. К этому можно добавить, что углеродные нанотрубки имеют очень малое сечение (примерно 10 атомов в диаметре) и обладают прекрасными прочностными характеристиками. Будучи в 6 раз легче стали, этот материал в 30 раз прочнее ее, вследствие чего нанотрубки могут одновременно выполнять роль проводов, микроконденсаторов и транзисторов. Помимо сказанного, новая технология позволяет значительно повысить рабочие параметры устройств (быстродействие, плотность монтажа и т. п.) и снизить их стоимость. Одним из важнейших преимуществ энергонезависимых запоминающих устройств выступает то, что на их основе можно создать «мгновенно включающиеся» персональные компьютеры.

Некоторые компании (например, Hewlett-Packard и ZettaCore) пытаются создавать запоминающие элементы на поверхности кремния, используя органические молекулы, способные к самосборке под воздействием химических сил, причем общий ход процесса задается заранее нанесенными на кремниевый чип паттернами или соответствующей экспозицией.

Ниже перечисляются некоторые основные характеристики устройств и их особенности, позволяющие реально рассматривать молекулярную электронику в качестве главного направления для смены парадигмы в изготовлении элементов вычислительной техники, то есть для дальнейшего развития по закону Мура.

•  Размеры. Особую привлекательность молекулярной электронике придает то, что она потенциально позволяет осуществить принципиальную миниатюризацию элементов вычислительной техники, сравнимую с той, которая произошла при переходе к пятой парадигме прошлого века (производство интегральных схем) и обеспечила рост характеристик в соответствии с законом Мура еще на тридцать лет. В 2002 году специалисты фирмы IBM, пользуясь сканирующим туннельным микроскопом, разработали методику манипуляций с отдельными молекулами моноксида углерода, что позволило им создать «триодный» анализатор импульсов на поверхности меди. Размеры этого устройства были в 260000 раз меньше, чем у соответствующей схемы в коммерчески выпускаемых чипах. Воображение человека с трудом воспринимает такие огромные цифры, но для сравнения размеров молекул и создаваемых человеком устройств читатель может представить себе каплю воды и вспомнить, что число молекул в ней в 100 раз превышает число всех транзисторов во всех электрических схемах, выпущенных промышленностью. Особую роль для миниатюризации играет то, что в природе молекулы располагаются в объеме, в то время как создаваемые нами интегральные схемы всегда представляют собой чрезвычайно сложные и тонкие структуры, располагающиеся только на плоской, двухмерной поверхности весьма большой (естественно, по молекулярным масштабам!) и совершенно не используемой кремниевой подложки.

•  Мощность . Одна из главных причин, по которой конструкторы не могут создавать объемные структуры из транзисторов, заключается в тепловыделении, приводящем к расплавлению кремниевых подложек. Строго говоря, даже самые современные транзисторы являются крайне неэффективными устройствами, и их коэффициент полезного действия значительно уступает, например, двигателям внутреннего сгорания. Потребляемая энергия расходуется транзисторами в процессе вычислений крайне расточительно и бесполезно. Для сравнения укажем, что человеческий мозг по эффективности энергопотребления и способности к расчетам превосходит лучшие из существующих процессоров в 100 миллионов раз, уступая последним только в быстродействии (менее 1 кГц). Эффективность работы мозга (в качестве вычислительного устройства) обеспечивается исключительно высокой плотностью внутренних связей в очень небольшом объеме (примерно 100 триллионов синапсов связывают между собой 60 миллиардов нейронов). Будущее вычислительной техники связано только с резким снижением энергопотребления (в пересчете на количество операций) и повышением скорости самих операций.

•  Стоимость производства . Создаваемые в настоящее время молекулярные электронные устройства очень просты и чаще всего представляют собой «покрытия» или самоорганизующиеся структуры из органических соединений. Собственно говоря, требуемая от них сложность как бы предварительно «заложена» в сложную структуру синтезируемых молекул, поэтому процесс изготовления может быть сведен упрощенно к «расплескиванию» химической смеси на подготовленную кремниевую поверхность. Сложность устройства в целом при этом обеспечивается не сложностью технологических процессов обработки и инженерного замысла, а свойствами самих молекул. Нанотехнологии концептуально отличаются от привычных процессов примерно так же, как биологический рост организма отличается от вытачивания детали на станке. Главное отличие заключается в том, что сложность в наноструктурах возникает в результате идущих «снизу вверх» процессов, то есть «задается» какими-то внутренними конформационными изменениями материала, а также слабыми молекулярными силами и поверхностным взаимодействиям участвующих в процессе молекул. Легко заметить, насколько такие процессы отличаются от обычной инженерной технологии изготовления объектов «сверху вниз», основанной на точных операциях и статическом состоянии обрабатываемых изделий.

•  Возможность производства при низких температурах . Одной из замечательных особенностей биологических процессов является то, что они позволяют создавать очень сложные объекты без применения температур около тысячи градусов, высокого вакуума и т. п. Большинство реакций органических молекул осуществляется при комнатной температуре или температуре человеческого тела. В массовом производстве это означает переход от дорогостоящих и сложных в изготовлении кристаллических подложек к гораздо более дешевым и удобным полимерным материалам.

•  Элегантность технических решений. Немаловажным фактором выступает то, что молекулярная электроника зачастую позволяет находить, как говорят инженеры, элегантные технические решения многих сложных проблем, особенно в области создания так называемых энергонезависимых и «внутренне цифровых» (inherent digital) запоминающих устройств. Для придания этих абстрактно задуманных характеристик устройствам на основе КМОП-структур, технологам приходится применять самые «неестественные» и сложные методы обработки. В связи с этим интересно отметить, что многие объекты молекулярной электроники исходно являются энергонезависимыми и «цифровыми»!

Существует множество других интересных проектов (от создания квантового компьютера до использования ДНК в качестве структурирующего материала для направленной сборки нанотрубок). Число таких разработок постоянно возрастает, а объединяет их лишь то, что все они с полным правом могут быть отнесены к нанотехнологиям.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.