2 Молекулярная память
Одна из рациональных конструкций молекулярной памяти — прототип системы памяти, использующей в качестве ячеек памяти молекулы протеина. Особенно привлекателен для исследователей бактериородопсин. Бактериородопсины — семейство мембранных светочувствительных белков, в которых осуществляется перенос протона через плазматическую мембрану. Такой протонный насос управляется световым потоком. Установлено, что на каждый поглощенный фотон через мембрану переносятся два протона —
фотоцикл, который представляет собой последовательность структурных изменений молекул при реакции со светом. При этом молекула выполняет функции логического элемента с запоминанием типа И или бистабильной ячейки типа триггера. Логические значения «0» и «1» соответствуют промежуточным состояниям молекулы и годами могут оставаться стабильными. Вместе с тем указанные два состояния имеют заметно отличающиеся спектры поглощения, что делает возможной их идентификацию. Бактериородопсин стал основой создания запоминающего устройства с использованием трехмерной матрицы. Матрица представляет собой прозрачную кювету размером 1 х 1 х 2 дюйма, заполненную полиакридным гелем и протеином. Протеин, который находится в состоянии логического нуля (bR-состояние), фиксируется в пространстве при полимеризации геля.
Световой модулятор представляет собой жидкокристаллическую панель, на которой информация отображается в виде матрицы из светлых и темных пикселей. Информационный массив макета состоял из 4096 х 4096 бит. Для записи и считывания ин- формации на базе прибора с зарядовой инжекцией формируется детектор (Charge Injection Device — CID) (рисунок 8). На первом этапе активации массива зажигается зеленый «страничный» лазер, который переводит молекулы бактериородопсина в состояние логической единицы, или Q-состояние.
На этапе записи информации с помощью записывающего лазера красного света, располагающегося под прямым углом по отношению к лазеру желтого света, освещается световой модулятор. С его помощью на пути луча создается транспорант, и поэтому облучению подвергаются только определенные точки страницы. В этих местах молекулы в Q-состоянии и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся часть страницы возвратится в первоначальное bR-состояние и будет представлять нули двоичной логики.
Рисунок 8 - Молекулярное запоминающее устройство на бактериородопсине: а – этап активизации устройства, б – этап записи, в – этап считывания информации.
Информация считывается с помощью «страничного» лазера. В этом случае информация переводится в Q-состояние, что позволит в дальнейшем идентифицировать двоичные нули и единицы с помощью различия в спектрах поглощения. Через 2 мс после этого страница облучается красным лазером низкой интенсивности излучения. Низкая интенсивность необходима для того, чтобы предупредить переход молекул в Q-состояние. Молекулы,
представляющие двоичный нуль, поглощают красный свет, а представляющие двоичную единицу не реагируют на него. Формируется рисунок из светлых и темных пятен на жидкокристаллической матрице.
На этапе стирания молекулы из Q-состояния возвращаются в исходное bR-состояние с помощью короткого импульса синего лазера или с помощью обыкновенной ультрафиолетовой лампы. Для обеспечения целостности данных при выборочном стирании страниц применяется кэширование нескольких смежных страниц. При операциях чтения-записи для защиты от ошибок используется код с общей проверкой на четность. Возможно более 5000 циклов запись-чтение. Каждая страница отслеживается счетчиком, и если происходит 1024 чтения, то страница регенерируется с помощью новой операции записи. Суммарное время выполнения операции чтения или записи составляет ~ 10 мс. Рассматриваемая система по быстродействию близка к полупроводниковой памяти. Объем памяти кюветы с протеином оценивается величиной порядка одного терабита данных. Информационная емкость ограничена проблемами линзовой системы и качеством протеина. К преимуществам перед полупроводниковой памятью следует отнести малую стоимость протеина, который производится в большом количестве благодаря достижениям генной инженерии. Молекулярная память может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память, она энергонезависима, не содержит движущихся частей, и архив такой памяти весьма информационно емок (~3 Гбит/см2).
Другим подходом к созданию молекулярной памяти является память на углеродных нанотрубках, состоящих из миллионов атомов. Конструкция нанотрубки прочнее стали и обладает электрическими свойствами меди и кремния одновременно. Такой дуализм — идеальное сочетание в процессах формирования наноэлементов вычислительной техники. Геометрические комбинации нанотрубок показали идентичность их свойств диодам, транзисторам, ключевым элементам и другим элементам традиционной кремниевой технологии.
Простым и эффективным решением стало использование прямоугольной сетки нанотрубок одновременно в качестве матрицы ячеек памяти и устройств ввода-вывода. В некотором смысле это известная кроссбар-архитектура вычислительных устройств. Такая структура обеспечивает бистабильное электростатически переключаемое состояние в каждом пересечении сетки нанотрубок. Детальный анализ показал, что сила упругости, возникающая в момент, когда верхняя нанотрубка максимально удалена от нижней, и силы Ван-дер-Ваальса, возникающие при сближении трубок в точке их пересечения, определяют два ярко выраженных энергетических состояния ячейки памяти (рисунок 9).
Рисунок 9 - Запоминающее устройство на матрице нанотрубок (а), исходное состояние (б) и после подачи электрического потенциала (в)
В первом состоянии переходное сопротивление между нанотрубками велико, во втором — мало. Обеспечивая электрически притягивающие и отталкивающие силы между нанотрубками в определенных координатах, можно вводить данные. Проблемой является заданная ориентация нанотрубок и их соединение. Эта задача решается химическим путем так, что на нанотрубках закрепляются химические «бирки», которые самоорганизуют нанотрубки в необходимые конструкции. Эта красивая, но пока не реализованная идея названа избирательной функциональностью.
Бирки притягивают или отталкивают концы нанопроводников и нанополупроводников, создавая функциональные цепи. Реального решения этой проблемы пока нет. Однако для начала достаточно дополнить существующие предельные кремниевые технологии нанотехнологиями на основе нанотрубок.
Определенные перспективы открывает голографическая запись информации на ниобате лития. При этом плотность записи информации может достигать ~ 1 Тбит/см3. Технология голографической записи информации была разработана более трех десятилетий тому назад, однако в полной мере еще не реализована.
Заключение
Наноэлектроника — логическое развитие микроэлектроники в соответствии со стратегией «сверху–вниз». Стратегия «снизу– вверх» пока более характерна для мира живой природы. В этом процессе отдельные атомы или молекулы группируются по заданному закону в микроблоки с заданными функциями. Заметим, что для живой природы характерны следующие особенности:
— используются не отдельные природные элементы и материалы, а их композиты;
— сочетаются иерархические уровни организации и/или самоорганизации;
— используемые для синтеза материалы отличаются гибкостью и мягкостью;
— основные технологические процессы — самосборка, репликация,
деление на основе явлений самоорганизации;
— формирование новой структуры осуществляется с использованием определенного шаблона или матрицы, например, записанной информации в ДНК.
Стратегия «снизу–вверх» позволяет сопряжение в нанодиапазоне биологических объектов с рукотворными элементами наноэлектроники. Примером могут служить фуллерены и углеродные нанотрубки, используемые при создании композитных материалов. Вместе с тем в изделиях наноэлектроники, созданных по такой стратегии и соответствующей технологии, неизбежно возникают принципиальные нерешенные вопросы. Прежде всего это — разработка процессов самоорганизации структур.
Список использованной литературы
1 Рамбиди Н.Г., «Нанотехнологии и молекулярные компьютеры», г. Москва, 2007г.
2 Пети М., «Молекулярная электроника», г. Москва, 2008г.
3 Щука А.А., «Функциональная электроника», г. Москва, 2008г.