分子ハードウェア：約束と課題

シリコンコンピューターチップが登場し始めて以来、この競争は続いています。ハードウェアメーカーは、より小さなスペースにできるだけ多くのトランジスタを詰め込むために、常に競い合っています。2014年、インテルは、髪の毛の直径の約6,000倍小さいトランジスタを搭載したプロセッサの発売を祝いました。しかし、これは分子レベルのトランジスタの製造を達成するという夢からはほど遠いものです。2016年6月17日、北京大学の研究者グループが、この夢が私たちが考えているよりも現実に近いことを証明したかもしれません。小型ハードウェアの競争が続く中、私たちはこれが私たちにとって何を意味するのか、そして分子サイズの技術を現実にするためにメーカーが直面する可能性のある課題について考えてみましょう。

「分子」という言葉の問題

分子ハードウェア- DNA

分子を考えるとき、私たちは非常に小さなものを思い浮かべます。非常に小さなものは、高度に専門化された機器でしか観察できません。問題は、原子とは異なり、分子は常にそのような微視的な寸法で存在するわけではないということです。誰かが「単一の分子からなるトランジスタを作った」と言ったとき、私が最初に思い浮かべる質問は「どのような分子のことを話しているのか？」です。

分子鎖は非常に大きくなる可能性があります。あなたの体のすべての細胞内のDNAのようなポリマーは、完全に伸ばすと1.5メートルから3メートルの長さになることがありますが、それはただの一つの分子です。私たちは通常、水分子のようなものをサイズの基準として使用し、直径約0.275ナノメートルです。これらのいずれも、北京大学の研究者が開発したトランジスタのサイズを正確に表すことはできません。

私たちが知っているのは、これらのスイッチがメチレン基を挟んだグラフェン（1原子の厚さの炭素の分子配置）電極から構築されているということです。メディアは、このようなトランジスタがどれほど大きいかについての適切な手がかりを提供していませんが、グラフェンとメチレン基がどれほど小さいかを考慮すると、水分子に近いものを見ている可能性が高いと言えます。

サイズがすべてではない

分子ハードウェア- グラフェン

小さなスペースにできるだけ多くのパンチを詰め込むことが重要ですが、トランジスタのサイズを縮小することだけができることではありません。北京大学の研究者たちは、前のもの（数時間）よりもはるかに長い寿命（1年）を持つ効果的な分子スイッチを作ることに成功しただけでなく、もう一つのブレークスルーも達成しました：そのスイッチは、電子を移動させるのではなく、光子を使用して通信できるのです。光子は電磁波よりもはるかに速く（最大100倍速い）、つまり、私たちは小さなスペースにより多くのトランジスタを詰め込むことができ、そしてそれらの小さなスイッチに、ゴードン・ムーアが夢見たことのあるスピードブーストを与えることができるのです。

この小さなハードウェアが挑戦的な理由

原子または分子レベルで扱うものはすべて、非常に不安定になる可能性があります。たとえば、電磁場は金属や他の導電性材料の原子構造をわずかに移動させる強い傾向があります。そのような移動は信号として解釈される可能性があります。原子レベルの微視的な「粒子」は、トランジスタが正しく機能するのを妨げる可能性もあります。北京大学の研究者たちは、これまでに100回以上のオンオフを行うことができるスイッチを作成し、耐久性は1年です。これは素晴らしい成果ですが、がんになりやすいハムスターの寿命を持つコンピュータを持つことに多くの人が喜ぶとは思えません。最初の本当の課題は、10年以上動作できるようにマイクロエレクトロニクス環境を隔離することです。

たとえ誰かが実行可能で非常に耐久性のある分子スイッチを最終的に構築したとしても、これを効率的な製造プロセスに組み込むことは、まったく新しい課題をもたらします。近い将来、集積回路は内部ハードウェア通信の標準的な方法です。このかさばるシステムを分子スイッチで機能させることはほぼ不可能です。さらに悪いことに、分子間の小さな隙間の中で物事を測定すること（内部に保存されたデータを読み取るために必要）は、維持するために多くのエネルギーを必要とする高度に専門化された環境を必要とします。

まとめ

人類が操作できる最小の分子のサイズのスイッチを持つという試みは非常に魅力的で、多くの約束を秘めています。つまり、製造業者がデータを読み取るために必要な低温を必要とすること、分子間の接続のギャップを解消すること、そして実世界でテストされたときにこの技術の短い寿命を何とか軽減することなどの障害を克服できれば、ということです。これらの障害を乗り越えることができれば、分子スイッチ技術は確実に革命を引き起こし、現在の集積回路やシリコンベースのチップを完全に時代遅れにするでしょう。

これらの課題を克服できるのはいつだと思いますか？コメントで教えてください！