100 великих достижений в мире техники

Мини… Микро… Дальше некуда? Прорывы чаще всего удаются на стыках. Это утверждение, по словам директора НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета, академика В.И. Минкина, верно не только для военных действий, но и для научных исследований. Вот о каком удивительном прорыве, осуществленном совместными усилиями микроэлектронщиков, химиков, вирусологов и молекулярных биологов он рассказал недавно своим коллегам на очередном заседании президиума Российской академии наук.

Эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100　млрд раз выше, чем современного кремниевого

Поначалу компьютеры были электромеханическими машинами, работавшими при помощи шестеренок и реле. Затем стали ламповыми, потом транзисторными. Наконец, на смену отдельным транзисторам пришли интегральные микросхемы. Причем на микропроцессорном чипе современного компьютера уже располагается до 100 млн транзисторов. И намного больше разместить уже вряд ли удастся.

Ело в том, что современные технологии производства интегральных микросхем достигли своего пика. Само формирование интегральной схемы с меньшими размерами транзисторов невозможно на базе стандартной техники фотолитографии, применяемой сегодня.

Для того чтобы вытравить на кремниевой пластине нужные участки, на нее предварительно наносят с помощью фототрафарета определенный рисунок. А четкость его возможна лишь в том случае, если проецирование осуществляется излучением, длина волны которого по крайней мере вдвое меньше, чем длина самого элемента. Поэтому от видимого света технологии перешли уже к куда более коротковолновому жесткому ультрафиолетовому излучению. И дальше двигаться, похоже, некуда.

Мы приближаемся к физическому пределу – толщина изолирующей пленки в микрочипе должна быть не более 4–5 молекул (1,5–2 нм). В более тонких слоях начинаются неконтролируемые процессы туннелирования электронов (то есть «проскакивания» их прямо сквозь структуру микрокристалла), а также перегрева, которые нарушают работу транзисторов и вычислительной системы в целом.

Между тем производительность компьютера при прочих равных условиях пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы. Так что же делать?

Молекулярные манипуляции. Один из выходов подсказал еще в 1959 году известный американский физик-теоретик Ричард Фейнман. Он решил, что молекулы, обладающие определенными свойствами, смогут заменить собой транзисторы, а технический прогресс сделает возможным и манипуляции с отдельными атомами и молекулами.

Размеры такого молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Поскольку, как мы уже говорили, производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов, размещаемых на единице площади, то выигрыш в производительности будет огромным. Так, по расчетам, эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 млрд раз выше, чем современного кремниевого.

Конечно, одно дело – высказать теоретическое предположение, и совсем другое – осуществить его практически. Тем не менее, похоже, предсказание Фейнмана начинает сбываться в наши дни.

Итак, что же такое молекулярный компьютер? Это устройство, в котором вместо кремниевых микрочипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. Иными словами, в основе новой технологии лежат так называемые «интеллектуальные молекулы»; они 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. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы – это некая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

Кроме того, устройство или архитектура каждого компьютера включает в себя также соединяющие провода и память. И эти элементы в молекулярных компьютерах будут отличаться от их аналогов в нынешних вычислительных устройствах. Память может работать на принципе «запоминания» оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряженные полимеры.

Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех основных составляющих компьютера будущего. Например, весьма перспективен молекулярный переключатель, созданный Д. Стоддардом и Д. Хисом, которые сотрудничают с американской фирмой «Хьюлетт Паккард». Существуют также прототипы транзисторов на одной молекуле, которые изучают в Корнеллском и Гарвардском университетах.

А первые устройства молекулярной памяти на основе так называемых фотохромных систем были созданы П. Рентцеписом из Калифорнийского университета еще в конце 80-х годов XX века. Поглотив один-два фотона, такая молекула переходит из одной устойчивой формы в другую, как бы запоминая бит информации.