분자 하드웨어: 약속과 도전
이 경쟁은 최초의 실리콘 컴퓨터 칩이 등장하기 시작한 이래로 계속되고 있습니다. 하드웨어 제조업체들은 점점 더 작아지는 공간에 가능한 한 많은 트랜지스터를 집어넣기 위해 서로를 능가하려고 끊임없이 노력해왔습니다. 2014년 인텔은 단일 머리카락의 직경보다 약 6,000배 작은 트랜지스터를 특징으로 하는 프로세서의 출시를 축하했습니다. 그러나 이는 분자 수준의 트랜지스터 제조라는 꿈과는 거리가 멉니다. 2016년 6월 17일, 베이징의 북경대학교 연구팀이 이 꿈이 우리가 생각하는 것보다 현실에 더 가까워졌음을 증명했을지도 모릅니다. 더 작은 하드웨어를 위한 경쟁이 계속되는 가운데, 우리는 이것이 우리에게 어떤 의미가 있을지, 그리고 분자 크기의 기술을 현실로 만들기 위해 제조업체들이 어떤 도전에 직면할 수 있는지 살펴보아야 합니다.
“분자”라는 단어의 문제
우리가 분자를 생각할 때, 우리는 매우 작은 무언가를 떠올립니다. 너무 작아서 고도로 전문화된 장비로만 관찰할 수 있는 것입니다. 문제는 원자와 달리 분자는 항상 그렇게 미세한 크기로 존재하지 않는다는 것입니다. 누군가가 단일 분자로 구성된 트랜지스터를 만들었다고 말하면, 가장 먼저 떠오르는 질문은 “어떤 종류의 분자를 말하는 건가요?”입니다.
분자 사슬은 거대할 수 있습니다. 여러분의 몸의 모든 세포 안에 있는 DNA와 같은 고분자는 완전히 늘어뜨리면 1.5미터에서 3미터까지 측정될 수 있으며, 이는 단 하나의 분자에 해당합니다. 우리는 일반적으로 물 분자와 같은 것을 크기의 기준으로 사용하며, 물 분자는 직경이 약 0.275나노미터입니다. 이 두 가지 모두 북경대학교 연구자들이 개발한 트랜지스터의 크기를 적절히 나타낼 수 없습니다.
우리가 아는 것은 이러한 스위치가 그래핀(원자 하나 두께의 탄소 분자 배열) 전극과 그 사이에 메틸렌 그룹이 포함되어 있다는 것입니다. 어떤 매체도 이러한 트랜지스터의 크기가 얼마나 될지에 대한 적절한 단서를 제공하지 않았지만, 그래핀과 메틸렌 그룹이 얼마나 작은지를 고려할 때, 우리는 DNA 분자보다는 물 분자에 더 가까운 것을 보고 있을 가능성이 높습니다.
크기가 전부는 아니다
작은 공간에 가능한 한 많은 힘을 담는 것이 중요하지만, 트랜지스터의 크기를 줄이는 것만이 할 수 있는 유일한 일은 아닙니다. 북경대학교의 연구자들은 이전 모델보다 수명이 현저히 긴(1년) 효과적인 분자 스위치를 만드는 것 외에도 또 다른 돌파구를 달성했습니다: 스위치는 전자를 이동시키는 대신 광자를 사용하여 통신할 수 있습니다. 광자는 전자기파보다 훨씬 빠르게(최대 100배 빠름) 이동하므로, 우리는 더 작은 공간에 더 많은 트랜지스터를 집어넣을 수 있을 뿐만 아니라, 고든 무어가 꿈꿀 수 있었던 속도 향상을 각 작은 스위치에 제공할 수 있습니다.
이 작은 하드웨어가 도전적인 이유
원자 또는 분자 수준에서 다루는 모든 것과 마찬가지로, 상황이 매우 불안정해질 수 있습니다. 예를 들어, 전자기장은 금속 및 기타 전도성 물질의 원자 구조를 약간씩 이동시키는 경향이 강합니다. 이러한 이동은 신호로 해석될 수 있습니다. 원자 수준의 미세한 “입자”가 트랜지스터가 제대로 작동하지 않게 할 수도 있습니다. 북경대학교 연구자들은 지금까지 100회 이상 활성화 및 비활성화할 수 있는 스위치를 만들었으며, 내구성은 1년입니다. 이는 현재로서는 훌륭한 성과이지만, 암에 취약한 햄스터의 수명과 같은 컴퓨터를 갖고 싶어하는 사람은 많지 않을 것입니다. 첫 번째 진정한 도전은 10년 이상 작동할 수 있도록 마이크로 전자 환경을 격리하는 것입니다.
설령 누군가가 실행 가능한 고내구성 분자 스위치를 마침내 구축하더라도, 이를 효율적인 제조 공정에 통합하는 것은 또 다른 도전 과제가 됩니다. 가까운 미래에는 집적 회로가 내부 하드웨어 통신을 위한 기본 방법입니다. 이 부피가 큰 시스템을 분자 스위치와 함께 작동시키는 것은 거의 불가능합니다. 게다가, 분자 사이의 작은 간격에서 물체를 측정하는 것은(내부에 저장된 데이터를 읽기 위해 필요) 많은 에너지를 유지해야 하는 고도로 전문화된 환경이 필요합니다.
결론
인류가 조작할 수 있는 가장 작은 분자 중 일부 크기의 스위치를 갖는 노력은 매우 매력적이며 많은 약속을 지니고 있습니다. 즉, 제조업체가 데이터를 읽기 위해 극저온 온도가 필요하고, 분자 간의 연결성의 간극을 없애고, 실제 세계에서 테스트할 때 이 기술의 짧은 수명을 완화하는 등의 장애물을 극복할 수 있다면 말입니다. 이러한 장애물을 넘을 수 있다면, 분자 스위치 기술은 현재의 집적 회로와 실리콘 기반 칩을 완전히 구식으로 만들 혁명을 일으킬 것입니다.
여러분은 이러한 모든 도전을 언제 극복할 수 있을 것이라고 생각하나요? 댓글로 알려주세요!
