Молекулярное оборудование: Обещание и вызовы

Соревнование продолжается с тех пор, как начали появляться первые кремниевые компьютерные чипы. Производители оборудования постоянно старались превзойти друг друга в безумной гонке, чтобы впихнуть как можно больше транзисторов в всё более крошечные пространства. В 2014 году Intel отпраздновала выпуск процессоров с транзисторами, которые были примерно в 6000 раз меньше диаметра одного волоса. Однако это далеко от мечты о производстве транзисторов на молекулярном уровне. 17 июня 2016 года группа исследователей из Пекинского университета в Пекине, возможно, доказала, что эта мечта может быть ближе к реальности, чем мы думаем. Поскольку гонка за меньшими аппаратными средствами продолжается, мы можем погрузиться в то, что это может значить для нас и с какими вызовами могут столкнуться производители, пытаясь сделать технологию размером с молекулу реальностью.

Проблема с словом “Молекула”

Когда мы думаем о молекуле, мы представляем что-то чрезвычайно маленькое – что-то настолько маленькое, что его можно наблюдать только с помощью высокоспециализированного оборудования. Проблема в том, что, в отличие от атомов, молекулы не всегда имеют такие микроскопические размеры. Когда кто-то говорит мне, что он создал транзистор, состоящий из одной молекулы, первый вопрос, который приходит на ум, это: “О какой молекуле идет речь?”

Молекулярная цепь может быть огромной. Полимеры, такие как ДНК внутри каждой клетки вашего тела, могут измеряться от 1,5 до 3 метров, когда они полностью растянуты, и это всего лишь одна молекула. Обычно мы используем такие вещи, как молекулы воды, в качестве точки отсчета по размеру, измеряя примерно 0,275 нанометра в диаметре, если вам интересно. Ни одно из этих значений не может правильно отразить адекватное представление о размере транзисторов, которые разработали исследователи Пекинского университета.

Что мы знаем, так это то, что эти переключатели построены из графеновых (молекулярная структура углерода, толщиной в один атом) электродов с метиленовыми группами между ними. Ни одно СМИ не дало нам адекватного представления о том, насколько большим будет такой транзистор, но можно с уверенностью предположить, что мы имеем дело с чем-то, более близким к молекуле воды (учитывая, насколько малы графен и метиленовые группы), чем к молекуле ДНК.

Размер не всё

Хотя важно убедиться, что вы упаковали как можно больше мощности в небольшом объеме, уменьшение размера транзисторов не единственное, что можно сделать. Вместе с созданием эффективного молекулярного переключателя, который имеет значительно больший срок службы (один год), чем его предшественники (несколько часов), исследователи Пекинского университета также достигли еще одного прорыва: переключатель также может общаться с помощью фотонов, а не движущихся электронов. Фотоны движутся гораздо быстрее, чем электромагнитные волны (до 100 раз быстрее), что означает, что мы сможем как упаковать больше транзисторов в небольшие пространства и дать каждому из этих крошечных устройств ускорение, о котором Гордон Мур мог только мечтать.

Почему это крошечное оборудование является сложным

Как и с любым, с чем мы имеем дело на атомном или молекулярном уровне, вещи могут стать очень нестабильными. Например, электромагнитные поля имеют сильную тенденцию вызывать смещение атомных структур металлов и других проводящих материалов. Такое смещение может интерпретироваться как сигнал. Микроскопические “зерна” материала на атомном уровне также могут вызывать неправильную работу транзисторов. Исследователи Пекинского университета смогли создать переключатель, который может активироваться и деактивироваться более ста раз, с долговечностью в один год. Хотя это замечательное достижение, я сомневаюсь, что многие люди будут в восторге от компьютера со сроком службы, как у предрасположенной к раку хомячка. Первым настоящим вызовом является изоляция микроэлектронной среды таким образом, чтобы она могла работать более десяти лет.

Даже если кто-то наконец построит жизнеспособный, высокопрочный молекулярный переключатель, внедрение этого в упрощенный производственный процесс представляет собой совершенно новую проблему. В обозримом будущем интегрированные схемы являются основным методом для внутренней аппаратной связи. Заставить эту громоздкую систему работать с молекулярными переключателями практически невозможно. Вдобавок ко всему, измерение вещей внутри крошечных промежутков между молекулами (что необходимо для чтения данных, хранящихся внутри) требует высокоспециализированных условий, которые требуют много энергии для поддержания.

Вывод

Стремление иметь переключатели размером с некоторые из самых маленьких молекул, которые человечество может манипулировать, очень заманчиво и имеет многообещающие перспективы. То есть, если производители смогут преодолеть такие препятствия, как необходимость криогенных температур для чтения данных, устранение разрыва в связи между молекулами и примитивными электромагнитными схемами, и как-то смягчить короткий срок службы этой технологии при испытаниях в реальном мире. Если они смогут преодолеть эти препятствия, то да, технология молекулярных переключателей, безусловно, создаст революцию, которая полностью сделает текущие интегрированные схемы и кремниевые чипы устаревшими.

Когда вы думаете, что мы сможем преодолеть все эти вызовы? Сообщите нам в комментариях!