Molekulare Hardware: Das Versprechen und die Herausforderungen

Das Rennen läuft seit den ersten Silizium-Computerchips, die erschienen sind. Hardware-Hersteller haben sich ständig gegenseitig übertroffen, um so viele Transistoren wie möglich in immer kleineren Räumen unterzubringen. 2014 feierte Intel die Veröffentlichung von Prozessoren mit Transistoren, die etwa 6.000 Mal kleiner sind als der Durchmesser eines einzelnen Haars. Dies ist jedoch weit entfernt von dem Traum, Transistoren auf molekularer Ebene herzustellen. Am 17. Juni 2016 könnte eine Gruppe von Forschern an der Peking-Universität in Peking bewiesen haben, dass dieser Traum näher an der Realität sein könnte, als wir denken. Während das Rennen um kleinere Hardware weitergeht, können wir uns auch damit beschäftigen, was dies für uns bedeuten könnte und welche Herausforderungen die Hersteller bei dem Versuch, technologie auf Molekülgröße Realität werden zu lassen, erwarten könnten.

Das Problem mit dem Wort „Molekül“

Wann immer wir an ein Molekül denken, denken wir an etwas außergewöhnlich Kleines – etwas, das so klein ist, dass es nur mit hochspezialisierten Geräten beobachtet werden kann. Das Problem ist, dass Moleküle im Gegensatz zu Atomen nicht immer in solch mikroskopischen Dimensionen vorkommen. Wenn mir jemand sagt, dass er einen Transistor hergestellt hat, der aus einem einzigen Molekül besteht, ist die erste Frage, die mir in den Sinn kommt: „Von welchem Molekül sprechen wir?“

Eine molekulare Kette kann enorm sein. Polymere wie die DNA in jeder Zelle Ihres Körpers können, wenn sie vollständig gestreckt sind, zwischen 1,5 und 3 Metern messen, und das ist nur ein Molekül. Wir verwenden normalerweise Dinge wie Wassermoleküle als Bezugspunkt für die Größe, die etwa 0,275 Nanometer im Durchmesser messen, falls Sie neugierig sind. Keines dieser Moleküle kann jedoch eine angemessene Darstellung der Größe der Transistoren bieten, die die Forscher der Peking-Universität entwickelt haben.

Was wir wissen, ist, dass diese Schalter aus Graphen (einer molekularen Anordnung von Kohlenstoff, die ein Atom dick ist) Elektroden mit Methylen-Gruppen dazwischen bestehen. Kein Medium hat uns einen richtigen Hinweis darauf gegeben, wie groß ein solcher Transistor wäre, aber es könnte eine sichere Wette sein, dass wir etwas näher an einem Wassermolekül (wenn man bedenkt, wie klein Graphen und Methylen-Gruppen sind) als an einem DNA-Molekül betrachten.

Größe ist nicht alles

Während es wichtig ist, sicherzustellen, dass Sie so viel wie möglich in einen kleinen Raum packen, ist die Reduzierung der Größe von Transistoren nicht das einzige, was Sie tun können. Neben der Herstellung eines effektiven molekularen Schalters, der eine signifikant längere Lebensdauer (ein Jahr) hat als seine Vorgänger (einige Stunden), haben die Forscher der Peking-Universität auch einen weiteren Durchbruch erzielt: Der Schalter kann auch mit Photonen kommunizieren, anstatt mit beweglichen Elektronen. Photonen reisen viel schneller als elektromagnetische Wellen (bis zu 100 Mal schneller), was bedeutet, dass wir in der Lage wären, sowohl mehr Transistoren in kleinen Räumen unterzubringen als auch jedem dieser kleinen Burschen einen Geschwindigkeitsboost zu geben, von dem Gordon Moore nur hätte träumen können.

Warum diese winzige Hardware herausfordernd ist

Wie bei allem, was wir auf atomarer oder molekularer Ebene behandeln, können die Dinge sehr instabil werden. Zum Beispiel haben elektromagnetische Felder eine starke Tendenz, die atomaren Strukturen von Metallen und anderen leitfähigen Materialien leicht zu verschieben. Eine solche Verschiebung kann als Signal interpretiert werden. Mikroskopische „Körner“ von Material auf atomarer Ebene könnten auch dazu führen, dass Transistoren nicht richtig funktionieren. Die Forscher der Peking-Universität haben bisher einen Schalter geschaffen, der über einhundert Mal aktiviert und deaktiviert werden kann, mit einer Haltbarkeit von einem Jahr. Während dies ein wunderbarer Erfolg ist, bezweifle ich, dass viele Menschen begeistert wären, einen Computer mit der Lebensdauer eines krebsanfälligen Hamsters zu haben. Die erste echte Herausforderung besteht darin, die mikroelektronische Umgebung so zu isolieren, dass sie mehr als ein Jahrzehnt lang betrieben werden kann.

Selbst wenn jemand schließlich einen tragfähigen, hochbeständigen molekularen Schalter baut, stellt die Integration in einen optimierten Herstellungsprozess eine ganz neue Herausforderung dar. Für die absehbare Zukunft sind integrierte Schaltkreise die bevorzugte Methode für die interne Hardwarekommunikation. Dieses sperrige System mit molekularen Schaltern zum Laufen zu bringen, ist nahezu unmöglich. Um das Ganze noch schlimmer zu machen, erfordert das Messen von Dingen in den winzigen Lücken zwischen Molekülen (was Sie tun müssen, um die darin gespeicherten Daten zu lesen) hochspezialisierte Umgebungen, die viel Energie benötigen, um aufrechtzuerhalten.

Fazit

Das Bestreben, Schalter in der Größe einiger der kleinsten Moleküle, die die Menschheit manipulieren kann, zu haben, ist sehr verlockend und birgt viel Versprechen. Das ist, wenn die Hersteller Hürden überwinden können, wie die Notwendigkeit von kryogenen Temperaturen, um Daten zu lesen, die Überwindung der Lücke in der Konnektivität zwischen Molekülen und steinzeitlichen elektromagnetischen Schaltkreisen sowie die Minderung der kurzen Lebensdauer dieser Technologie, wenn sie in der realen Welt getestet wird. Wenn sie durch diese Hürden springen können, dann ja, die Technologie der molekularen Schalter wird sicherlich eine Revolution auslösen, die aktuelle integrierte Schaltkreise und siliziumbasierte Chips obsolet machen wird.

Wann glauben Sie, werden wir in der Lage sein, all diese Herausforderungen zu überwinden? Teilen Sie uns Ihre Meinung in einem Kommentar mit!