Molekylær databehandling

For Mark Reed har fremtiden for molekylær elektronikk akkurat kommet. En selvskreven enhetsfyr, Reed, som leder Yale Universitys elektroingeniøravdeling, er stolt av å ha en utpreget praktisk tilbøyelighet. Spør ham om muligheten for en dag å bruke molekyler for å erstatte silisium i datamaskiner som er milliarder av ganger raskere enn dagens PC-er eller som passer på hodet av en nål, og han grimaserer. Jeg vet ikke hvordan jeg gjør det. Det tror jeg ingen gjør, sier han avvisende.

Men det demper ikke spenningen som Reed, en ledende forsker innen molekylær elektronikk, føler. Ved å bruke molekyler syntetisert av Rice University-kjemikeren James Tour, har Reed laget elektroniske minner og et enkelt logisk element som består av molekyler som fungerer som små, individuelle brytere. Enhetene, som er avhengige av små organiske molekyler skreddersydd av Rice-kjemikerne for å ha akkurat de rette elektroniske egenskapene, er grove laboratorieeksperimenter. Men de fungerer - molekylene fungerer som en komponent i ultrasmå elektroniske enheter som kan slå strøm av og på. Dessuten har disse tidlige prototypene allerede vist hint om å utføre minne- og logikktriks som ikke er mulig med silisiumhalvledere.

Denne historien var en del av vårt mai 2000-nummer

• Se resten av saken
• Abonnere

Mest imponerende, sier Reed, er at de molekylære enhetene er forbløffende enkle og potensielt billige å lage. Du dypper ganske enkelt en silisiumplate foret med metallelektroder i et beger fylt med de riktige kjemikaliene og gir molekylene noen minutter til å danne seg på elektrodene. Hvis du er flink nok med kjemien, er det mulig å lokke molekylene til spontant å orientere seg på elektrodene. Det fungerer vakkert - og det fungerer hver gang, sier Reed.

Det kan fungere hver gang, men det er betydelig uenighet om hva disse kjemiske reaksjonene noensinne vil utgjøre. Mens sanne troende ser for seg en verden der mikroskopiske molekylære datamaskiner laget til lave kostnader utfører bemerkelsesverdige beregninger, tror skeptikere at feltet har mistet den virkelige verden av tekniske grenser av syne. I mellomtiden tror enhetsgutta som Reed at fremtiden – i form av brukbare prototyper som kan integreres med konvensjonell silisiumteknologi – er nå.

Kjernefordelen med molekylær databehandling er potensialet til å pakke langt flere kretser på en mikrobrikke enn silisium noen gang vil være i stand til - og å gjøre det billig. Halvlederprodusenter kan nå stappe rundt 28 millioner transistorer på en brikke ved å krympe de minste egenskapene til transistorene ned til rundt 180 nanometer (milliarddeler av en meter). Ved å bruke konvensjonelle brikkefremstillingsmetoder, jo mindre du lager en funksjon, desto dyrere og vanskeligere blir prosessen. Mange halvledereksperter tviler på at kommersielle fremstillingsmetoder økonomisk kan gjøre silisiumtransistorer mye mindre enn 100 nanometer. Og selv om brikkeprodusenter kunne finne ut en rimelig måte å etse dem på en brikke, ville nok ikke ultrasmå silisiumkomponenter fungere: Ved transistordimensjoner på rundt 50 nanometer begynner elektronene å adlyde rare kvantelover, og vandrer der de er. ikke ment å være.

Molekyler er på den annen side bare noen få nanometer store, noe som muliggjør brikker som inneholder milliarder, ja trillioner av brytere og komponenter. I innledende eksperimenter har forskere lagt et stort antall molekyler mellom metallelektroder. Enhetene fungerer imidlertid fordi hvert molekyl fungerer som en bryter. Hvis det var mulig å koble et lite antall molekyler sammen som individuelle elektroniske komponenter for å danne kretser, ville resultatet endret alt innen datadesign. Molekylære minner kan ha en million ganger lagringstettheten til dagens beste halvlederbrikker, noe som gjør det mulig å lagre livets opplevelser i en dings på størrelse med et armbåndsur. Superdatamaskiner kan være små nok og billige nok til å integreres i klær. Bekymringen for at datateknologi snart vil treffe en vegg ville forsvinne.

Disse søknadene er flere tiår unna - hvis de noen gang blir realisert. Likevel, hevder Reed, kan noen bruksområder for molekylær elektronikk snart være gjennomførbare. Ultrasmå, billige molekylære enheter kan sitte side ved side med silisium, noe som reduserer antallet transistorer og kraften som kreves av kretsen. Dette er noe du kan bruke i dag, noe du kan selge i Radio Shack, sier Reed. Dette har en sjanse til å totalt endre økonomien til silisium.

For å gjøre det til en realitet har Reed, Tour og kjemikere fra Pennsylvania State University grunnlagt en oppstart kalt Molecular Electronics. Gruppen nekter å si hva de første produktene vil være, men Tour sier at det ikke virker urealistisk å ha et fungerende system om et par år.

Inntil helt nylig ville den spådommen virket langsøkt. Men det siste året har feltet tatt et sprang fra teori til det praktiske. I likhet med konkurrentene deres ved Yale og Rice, har et vestkystsamarbeid mellom kjemikere og informatikere fra Hewlett-Packard og University of California, Los Angeles, nylig karakterisert molekyler som er i stand til å fungere som elektroniske brytere og minne (se tidligere utgave: Computing After Silicon , TR september/oktober 1999). R. Stanley Williams, som leder innsatsen hos HP, sier at teamet hans forventer å bygge en prototype av en logisk krets som integrerer et lite antall molekylære enheter i nanoskala innen 18 måneder. Vi har bryterne og ledningene – komponentene for å faktisk lage ekte nanokretsløp, sier Williams.

Oppskriften

I det minste i teorien er det enkelt å sette sammen en molekylær elektronisk enhet. I versjonen av oppskriften foretrukket av HP/UCLA-samarbeidet, lager forskerne først et enkelt monolag av de riktige organiske molekylene i et kjemisk apparat kalt et Langmuir-trau; De dypper deretter et silisiumsubstrat dekket av et mønster av metallelektroder i rennen. Hvis kjemien er helt riktig, vil molekylene binde seg til metallelektrodene og orientere seg pent. Et andre sett med elektroder blir deretter avsatt på molekylene; resultatet er et monolag av de organiske molekylene klemt mellom metallelektroder.

Utfordringen er at de fleste organiske molekyler ikke er elektriske ledere i det hele tatt, uansett om de har de elektroniske egenskapene som lar dem fungere som en effektiv bryter. Det som skal til for å få systemet til å fungere elektronisk er spesialtilpassede molekyler som slår seg av og på gjentatte ganger på en pålitelig og detekterbar måte (egenskapene som har gjort silisium så vellykket). Å komme opp med molekyler som kan gjøre trikset er domenet til kjemiveivisere som Rice's Tour og UCLAs James Heath og Fraser Stoddart.

Trolldommen deres begynte å gi stor uttelling i fjor høst. Først publiserte HP/UCLA-gruppen et papir som beskrev hva som faktisk er en molekylær sikring - en engangsbryter basert på et komplekst, hantelformet organisk molekyl kalt rotaxane; forskerne har senere laget reversible brytere. De viste også hvordan enheten kunne utføre enkle logikk- og minnefunksjoner. I løpet av måneder konkurrerte Yale/Rice-samarbeidet med den bragden ved å beskrive syntesen av andre organiske molekyler som fungerer som elektroniske enheter.

Til tross for forskjellene i molekylære detaljer, utnytter de to forskningsgruppene de samme kvanteeffektene som til slutt kan sette grunnleggende grenser for silisiumhalvledere. Molekylene som skiller de to elektrodene vil normalt blokkere strømmen. I nanoverdenen til individuelle molekyler kan imidlertid elektroner tunnelere gjennom en barriere som ifølge klassisk fysikk burde blokkere veien deres. Ved å manipulere en spenning plassert over elektrodene, kan forskerne justere tunneleringshastigheten og dermed slå strømmen av eller på.

Reed har allerede begynt å tenke på måter å bruke molekylære enheter i kombinasjon med konvensjonelt silisium. En type kvantelogikkport som Reed nylig har bygget, vil for eksempel ha samme spesialiserte funksjon som syv mye større silisiumtransistorer, noe som reduserer størrelsen og strømforbruket til en integrert krets betydelig. Og mens fabrikasjon av konvensjonelle transistorer krever kompleks og kostbar prosessering, kan den molekylære enheten limes på kretsen, sier Reed.

Molekyler kan også gi ultra-billig elektronisk minne med noen attraktive egenskaper. Den vanligste typen halvlederminne kalles DRAM, for dynamisk tilfeldig tilgangsminne. (Dette er korttidsminnet datamaskinen din er avhengig av når den kjører et program.) Problemet med DRAM er at den lagrede informasjonen fordamper når strømmen slås av – den er flyktig. Det er grunnen til at du må starte opp Windows hver gang du slår på datamaskinen, flytte programmet fra harddisken til DRAM-brikkene. Men en eksperimentell molekylær enhet Reed laget i fjor høst holder data i mer enn 10 minutter etter at strømmen er slått av. Sett at vi kan få det opp til flere år, sier Reed. Det ville i hovedsak være ikke-flyktig minne. Tenk deg hvor mange ganger du ikke trenger å starte opp Windows.

Selv om disse tidlige applikasjonene er verdener borte fra milliardtransistor-molekylære datamaskiner som entusiaster ser for seg, kan de vise verdien av organiske molekyler som et elektronisk materiale. De er en kamelnese under teltet, sier Reed og legger til at disse hybridenhetene allerede er veldig realistiske. De er det første trinnet på veien til mer komplekse [molekylære] kretsløp.

Det er imidlertid sannsynlig at det blir en lang vei. Selv en enkel datamaskin laget av molekylære komponenter er minst et tiår unna – og da bare hvis vi blir virkelig flinke, erkjenner Williams. Men HP-kjemikeren sier at gruppen hans allerede er på vei. I sine første prototyper har forskerne i California laget de øverste og nederste metalltrådene som vinkelrette rutenett, og skapt en tverrstangstruktur med molekylene som sitter i kryssene mellom ledningene. Så langt har gruppen laget enheter med metallkontakter som er tusenvis av nanometer i diameter; det er millioner av molekyler ved hvert kryss. Men Williams sier at senere i år forventer gruppen å ha ledninger som måler noen få nanometer på tvers. Det var ikke fornuftig å gjøre alt hardt med en gang. Så vi brukte mye større ledninger. Nå gjør vi eksperimentene for å bytte til mindre ledninger og gjøre målingene.

De nesten perfekte kandidatene for slike små ledninger er strukturer kjent som karbon nanorør. Disse regelmessig formede rørene, bare noen få nanometer i diameter, kan være utmerkede kanaler for elektroner som suser gjennom en molekylær krets. Problemet er at nanorør har en tendens til å dannes som et sammenfiltret rot langt fra de pent ordnede matrisene som trengs for å lage komplekse kretsløp. Å bygge strukturer med nanorør er nå en kunstform, sier fysiker Paul McEuen fra University of California, Berkeley. Vi kaster dem i utgangspunktet ned på bakken og ser etter [strukturen] vi vil ha.

HP/UCLA-gruppen er sikre på at de vil løse ledningsproblemet. Etter hvert vil nanorør bli brukt. Deres elektroniske og fysiske egenskaper er så ønskelige, sier Williams. Foreløpig, sier han, jobber gruppen også med silisium nanotråder. Og, lover Williams, med eller uten karbon-nanorør, innen sensommeren vil forskerne skalere ned knutepunktene til enheter til mindre enn 10 nanometer. De kortsiktige målene er et 16-bits minne som er 100 nanometer på en side, og like etter det en tilsvarende størrelse logisk enhet. Disse rudimentære kretsene truer kanskje ikke silisiums regjeringstid, men de kan være en milepæl i å bevise at molekylær elektronikk er mulig.

Men så kommer den virkelig skremmende delen: å gjøre disse enkle enhetene om til komplekse logiske kretser, og integrere dem i en faktisk datamaskin. En av straffen du betaler for å lage mikroelektronikk basert på kjemi er at, i motsetning til silisiumbrikker laget i høyteknologiske fabrikker, vil molekylære enheter syntetisert i kar med kjemikalier i seg selv være fulle av defekter. På skalaen til individuelle molekyler er kjemi gitt til statistiske svingninger - noen ganger fungerer det og noen ganger ikke. Men det er her HP/UCLA-forskerne hevder at de har fått sitt viktigste gjennombrudd.

Deres svar: programvare som overvinner defektene. For flere år siden bygde informatikere ved HP en superdatamaskin kalt Teramac, ved å bruke defekte silisiumbrikker så feil at de ble ansett som verdiløse. HP-forskerne brosteinet disse avviste brikkene til en datamaskin ved å utvikle en tverrstangsarkitektur som gjør det mulig å koble til hvilken som helst inngang med hvilken som helst utgang. Når maskinvaren ble bygget, ble datamaskinen programmert til å identifisere og rute rundt eventuelle defekter. Systemet fungerte - og dets massive parallellitet ga en arketype som forskerne i California planlegger å bruke for sin molekylære datamaskin.

En kjemiker som jobber på en datamaskin er en bisarr ting. Du kan ikke gå til en kjemiker og be dem bygge en datamaskin, sier Heath, en av UCLA-forskerne som hjelper til med å syntetisere de nødvendige komponentene. Men, sier han, Teramac-arkitekturen har gitt HP/UCLA-gruppen et klart definert mål. Programvaren vil gjøre den om til en maskin, sier Heath. Den molekylære datamaskinen kan være et stykke unna, erkjenner han. Men det er ingen grunn til at det ikke vil fungere.

Verden mellom

Mens folk som Heath er glade, har teknologien sin del av tvilere. Feltet molekylær elektronikk er forelsket i seg selv, sier Rick Lytel, en dataforsker ved Sun Microsystems. Til tross for sin skepsis, holder Lytel imidlertid et skarpt øye med feltet for Sun og utvikler spesifikasjoner for å teste og evaluere prototyper av molekylære enheter. Han tror molekylær elektronikk etter hvert kan finne bruk som minneenheter. Men Lytel sier at mange av kollegene hans på feltet har lurt seg selv til å tro at de bare er et skritt unna markedsplassen.

Selv troende på utsiktene til molekylær elektronikk er uenige med hverandre om hvilken rolle teknologien vil spille i databehandling og elektronikk. Ta Mark Ratner, en kjemiker ved Northwestern University som generelt blir sett på som en av feltets bestefedre. Ratner tviler på at molekyler noen gang vil konkurrere direkte med silisium i komplekse beregningsoppgaver. Man vil bruke molekyler til det de er best på og for å kompensere for hvor silisium kommer til kort, sier Ratner. Spesielt peker han på deres evne til å gjenkjenne og reagere på andre molekyler. Ved å kombinere disse funksjonene med de nyutviklede elektroniske egenskapene, kan du lage små sensorer og aktuatorer som oppdager og reagerer intelligent på biologiske og kjemiske ledetråder. Det kan, sier Ratner, muliggjøre implanterbare biobrikker som inkluderer sensorer og aktuatorer laget av molekylær elektronikk som registrerer kroppens behov og reagerer ved å slippe ut en passende dose medisin.

For denne pioneren innen molekylær elektronikk kan det virkelige potensialet til feltet realiseres ved å bringe verden av mikroelektronikk sammen med verden av biologi og molekyler. Molekylær elektronikk, antyder Ratner, kan være brikken i puslespillet som til slutt bidrar til å bygge bro over materialgapet mellom biologi og databehandling.

Molekylær prøvetaker Organisasjon Nøkkelforskere Fokus Delft University of Technology Cees Dekker Bruker karbon nanorør som nanotråder og elektroniske enheter; har bygget en transistor av et enkelt nanorør Harvard University Charles Lieber Syntetiserer arrays av karbon nanorør som kan fungere som både ledninger og elektroniske enheter Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Kjemisk sammenstilling av arrays av rekonfigurerbare svitsjer for minne og logikk; Målet er å bygge en molekylær datamaskin. IBM Research Phaedon Avouris Studerer egenskapene til nanorør; har laget en transistor av et enkelt nanorør Rice University James Tour Utvikling av en selvmontert datamaskin med et sterkt sammenkoblet nettverk av logikk og minne; har syntetisert molekyler med ønskelige egenskaper University of Colorado Josef Michl Bygge en molekylær datamaskin; har laget egnede molekyler og korte ledninger Yale University Mark Reed Samarbeider med Rice University for å bygge en molekylær datamaskin; har laget molekylære brytere og minneenheter

gjemme seg