Приближается эра молекулярной электроники

Александр Трубицын

Сделан еще один шаг в создании приборов, которые в обозримом будущем придут на замену современным кремниевым микросхемам. 23 января 2002 г. компания Hewlett-Packard (http://www.hp.com) и Калифорнийский университет UCLA (http://www.ucla.edu) объявили о том, что ими получен патент США на технологию создания сложных логических микросхем молекулярного уровня, производство которых, как они обещают, будет простым и дешевым.

Большинство экспертов полагают, что приблизительно через 10 лет технология кремниевых микросхем достигнет физических и экономических пределов своего развития. Тогда стоимость строительства завода по производству передовых процессоров составит 50 млрд. долл. против нынешних 2 млрд. Поэтому сейчас ведется интенсивный поиск более дешевой технологии, которая сможет обеспечить разработку более компактных, быстрых и менее энергопотребляющих вычислительных устройств. Одним из направлений является создание ключей, состоящих из нескольких молекул.

Патент США 6 314 019 B1 Molecular-Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications ("Коммутатор межсоединений с молекулярными проводниками для маршрутизации сигналов и коммуникаций") выдан Филиппу Кьюкесу, Стенли Уильямсу (HP Labs) и Джеймсу Хиту (университет UCLA). Этот документ представляет собой важную веху в исследовании, которое проводится по гранту агентства DARPA (http://www.darpa.mil/MTO/mole/index.html) при финансовой поддержке HP в направлении развития молекулярной электроники (молетроники, или наноэлектроники). Результатом данной работы должно быть создание к 2005 г. устройства памяти объемом 16 Кбит с ячейками в виде отдельных молекул.

В рамках этого исследования уже получено несколько важных патентов.

Современный процесс изготовления микросхем включает многочисленные точные операции формирования сложного рисунка разводки компьютерных микросхем. Изобретение HP и UCLA предлагает использовать простую решетку, состоящую из двух взаимно перпендикулярных групп параллельных проводников. Каждый проводник имеет ширину 6-10 атомов и высоту 2 атома. В узлах пересечений находятся молекулы, состояние (и проводимость) которых может меняться в зависимости от приложенного напряжения. Такая молекула представляет собой аналог транзистора.

Сотрудники HP Labs ранее продемонстрировали в лабораторных условиях, как из некоторых редкоземельных элементов при химическом взаимодействии с кремниевой подложкой формируются наноскопические параллельные проводники. Из двух наборов таких проводников, перпендикулярно ориентированных относительно друг друга, можно сформировать решетку.

В другом эксперименте этой же серии исследователи построили решетку из проводников, имеющих те же размеры, что и проводники в микросхемах современных компьютеров, и поместили между ними мономолекулярный слой электрически коммутируемых молекул - так называемых ротаксанов. При подаче на эти молекулы электрического сигнала открывался простой логический вентиль. За это изобретение коллектив был удостоен Фейнмановского приза в области нанотехнологий.

Кроме того, HP и университет UCLA совместно запатентовали микросхему памяти на основе молекулярных коммутаторов. Журнал Technology Review, издаваемый Массачусетским технологическим институтом, назвал этот патент (6 128 214, Molecular Wire Crossbar Memory) одним из пяти наиболее важных событий 2000 г.

"Данная работа впервые продемонстрировала возможность использования молекул в качестве электронных устройств для логической схемы компьютера", - говорит профессор химии университета UCLA и директор Калифорнийского института наносистем Джеймс Хит.

"Ее результаты доказывают, что в будущем программирование может заменить используемые сейчас сложные точные методы производства компьютерных микросхем, - вторит ему старший исследователь и системный архитектор HP Labs Филипп Кьюкес. - После сборки базовой решетки путем программирования можно реализовать очень сложную логическую схему, выставив электрическими сигналами нужные коммутаторы в молекулярной структуре".

Но хотя предыдущие эксперименты привели к созданию простых логических схем, еще не было преодолено основное препятствие, не позволявшее реализовать все преимущества новой технологии и создать более сложные микросхемы, которые можно было бы использовать на практике.

"Проблема заключалась в том, что в единой большой решетке происходит взаимодействие всех электрических сигналов, - рассказал директор по квантовым технологиям HP Labs Стенли Уильямс. - Представьте, что в Манхэттене отключат все светофоры и запретят ездить со скоростью меньше 30 миль в час, - в результате образуется гигантская пробка. Отрезки проводников подобно светофорам регулируют трафик, позволяя перемещать информацию (пассажиров) между любыми двумя точками решетки".

Новое изобретение предусматривает деление проводников на короткие сегменты за счет превращения некоторых "перекрестков" в изоляторы. "Вы просто разделяете город на несколько районов. Внутри каждого района будут маленькие улицы, а большие соединят районы между собой", - пояснил г-н Уильямс.

Изоляторы получаются при помощи "отсекающих проводников", которые по составу отличаются от обычных. Разность потенциалов на отсекающем и основном проводнике и создает изоляцию.

Управление этими напряжениями и зарядами в прошлом году было запатентовано Уильямсом и Кьюкесом (патент США 6 256 767, Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar), разработавшими метод интеграции молекулярных устройств в производимые сейчас микросхемы, чьи компоненты примерно на два порядка больше по размерам. Упрощенно этот процесс можно представить как специальную технологию демультиплексирования, когда с помощью химических процессов микросхемы, полученные литографическим способом, соединяются с проводниками, имеющими размеры в несколько нанометров. В результате была решена очень важная в практическом смысле задача организации эффективного ввода-вывода информации по отношению к таким молекулярным структурам. Аналогичная задача для квантовых компьютеров пока еще не решена.

По всей видимости, сейчас приближается последняя технологическая революция в электронике: элементарные устройства выходят на рубеж молекул, после чего дальнейшее движение в этом направлении станет невозможным.