Перспективные технологии создания компьютеров

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Транзистор — это два электрода на кремниевой подложке, ток между которыми регулируется потенциалом, подаваемым на третий управляющий электрод — затвор. Критический

элемент кремниевого транзистора, из-за которого нельзя сделать его намного меньше, — толщина изолирующего слоя оксида кремния между затвором и проводящим слоем.

Современные технологии уже позволяют сделать его толщиной

0,1-0,08 микрон (100 – 80 нм), что соответствует примерно 1/1000 толщины человеческого волоса.

Несмотря на то что технологии производства изолирующего слоя оксида кремния совершенствуются и он становится тоньше, у него существует физический предел — не более 4–5 молекул (1,5–2 нм).

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Микроэлектроника уже перешла в область наноэлектроники.

Время измеряется в наносекундах, а размеры элементов — в сотнях и даже десятках нанометров.

Дальнейшему совершенствованию и уменьшению элементов противостоят принципиальные ограничения, связанные с фундаментальными закономерностями физических явлений в кристаллах.

Тогда возникают новые явления, обусловленные размерными эффектами, и

перестают выполняться классические закономерности физических процессов в работе СБИС (сверхбольших интегральных схем).

Нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это технологии манипуляции отдельными атомами и молекулами, в результате которых создаются структуры сложных спецификаций. Слово "нано" (в древнегреческом языке "nano" - "карлик")

означает миллиардную часть единицы измерения и является синонимом бесконечно малой величины, в сотни раз меньшей длины волны видимого света и сопоставимой с размерами атомов. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это уже не количественный, а качественный переход:

скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Следующий этап разработки вычислительных и информационных систем связывается с применением вместо кремниевых

транзисторов органических и металлоорганические молекул, молекул координационных соединений металлов.

Ориентация на возможности молекулярного мира не случайна, ведь

именно молекулярные структуры и механизмы выбраны природой для функционирования живого организма, и эти механизмы являются верхом совершенства любой сложной машины.

Природа наследственности, мускульных сокращений, кровеносной системы - все это основано на химических реакциях, то есть

превращениях молекул.

Поэтому естественно ожидать, что наиболее совершенные технические устройства будут базироваться на принципах работы молекул, реакций и превращений химических соединений.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Что такое молекулярный компьютер? Это устройство, в котором

вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат так называемые „интеллектуальные молекулы“. Такие молекулы (или молекулярные ансамбли) могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых

имеет свои физические и Химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в Другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов,

электрического и магнитного поля и т.д.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это

наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

Далеко не каждый тип молекул может быть применен для устройств молекулярной электроники.

Переключение между этими состояниями под влиянием внешних воздействий (свет, электрические сигналы, магнитное поле, химическая реакция) в терминах

информатики соответствует переключению между состояниями ноль и единица – процессу, на котором основана вся компьютерная технология.

Вот тут и появляется принципиально новое направление в развитии средств

обработки информации — молекулярная электроника.

Это смесь электроники и биохимии.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Идея использования в электронике молекул, содержащих углерод и отличающихся возможностью биологической транспортировки электронов, возникла и развивается с 70-х годов . Итак, используя электрическое поле, можно

изменять молекулярную структуру и возбуждать электронную проводимость. В качестве рабочих веществ для создания электронных структур ученые предлагают использовать:

1.неорганические вещества;

2.органические (небиологические) соединения;

3.органические вещества биологического происхождения (белки). Программы исследований в этой области на сегодняшний день

направлены на создание следующих молекулярных аналогов электронных вычислительных машин:

1.Создание молекулярных аналогов твердотельных микроэлектронных

приборов. Основная задача: на основе молекулярных структур осуществить

функции элементарных микросхем, например, триггеров. В качестве микроприборов здесь могут выступать фрагменты органических, кремниево- органических, а так же металло-органических полимеров и биополимеров;

2.Создание молекулярных цепей и молекулярных ассоциаций, выполняющих

функции логики, хранения и передачи информации;

3.Создание биологических функциональных молекул методами генной инженерии.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Архитектура каждого компьютера включает три основных элемента:

переключатели,

память,

соединяющие провода.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Бистабильные молекулы — переключатели будут управляться световыми и электрическими импульсами или электрохимическими реакциями.

Память может работать на принципе „запоминания“ оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряжённые полимеры.

Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех основных составляющих компьютера будущего.

Особенно интересны такие превращения бистабильных молекул, после которых сильно меняется электронная конфигурация, появляется способность проводить электрический ток.

Наиболее эффективные молекулярные переключатели основаны на фотохромных соединениях, которые переводятся в высшие возбуждённые электронные состояния. Это может быть, например, процесс фотопереноса протона. После переключения кардинально

перестраивается электронная конфигурация системы, а её геометрия остаётся практически прежней.

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич

Второе из указанных направлений предполагает создание законченных

молекулярных СБИС посредством самосборки фрагмента,

то есть путем последовательного наращивания необходимой молекулярной последовательности.

Механизмы функционирования элементов молекулярной электроники прежде всего определяются переносом электронов и протонов (туннелирование электронов и протонов), перегруппировкой валентных связей и перестройкой групп молекул.

Для примера сложнейших молекул и их ассоциаций, которые используются в качестве рабочих веществ в молекулярной электронике, можно привести следующие:

1.Трансполиацетилен;

2.Липиды (жиры);

3.Аминокислоты;

4.Протеины (белки, длинные цепочки аминокислот). Белковые молекулы — это несколько миллиардов отдельных элементарных ячеек в общей цепи;

5.Микротубил — цилиндрические белковые полимеры. Содержатся в живых

клетках;

Физика компьютеров 2011 Л.А. Золоторевич