Домино на 200 квадратных нанометрах

Автор – Алексей Гвозденко, 6 ноября 2002 г.

За последние год-полтора компания IBM предложила уже несколько новых подходов к созданию микроэлектронных устройств. Недавно она записала в свой актив еще одну технологию, которая, может быть, станет основой компьютерных систем будущего.

Речь в данном случае идет о самых миниатюрных на сегодня вычислительных схемах, которые сумели получить специалисты исследовательского центра IBM Almaden Research Center в Сан-Хосе (штат Калифорния).

Схема сортировщика на основе молекулярных каскадов а и его микроэлектронные фотографии на различных этапах работы: б -- исходное состояние, в, г, д -- подача сигналов на входы X, Y, Z соответственно

В основу разработки ученых IBM легла технология так называемых молекулярных каскадов, действующих в соответствии с широко известным принципом домино. Упомянутые схемы состоят из последовательностей молекул монооксида углерода CO, особым образом размещенных на решетке кристалла меди (имеющей шаг около 0,25 нм) и находящихся в метастабильном состоянии.

Главная идея предложенного решения заключается в том, что, если к двум находящимся рядом молекулам CO добавить третью, это приведет к перемещению одной из молекул исходной пары. Она, в свою очередь, вытесняет молекулу в следующей паре, и так далее по цепочке. Таким образом, возмущение на одном из концов последовательности приводит к ее полному перестроению, заключающемуся в разделении молекулярных пар CO. Вполне очевидно, что двум различным ее конфигурациям можно присвоить значения логического нуля и единицы. Для реализации логических элементов (AND, OR и т. д.) используются перекрывающиеся либо ветвящиеся молекулярные каскады.

Отметим также, что на самом деле звено каждой цепи в схемах IBM состоит из трех молекул, две из которых спарены, а третья находится отдельно, в процессе перестроения последовательности не участвует и выполняет вспомогательную роль, формируя необходимую энергетическую картину.

Учеными компании было получено несколько логических схем, самой сложной из которых является сортировщик с тремя входами и тремя выходами. Его размеры составляют всего 12 x 17 нм; по образному сравнению IBM, на срезе обычного карандаша диаметром 7 мм подобных схем уместилось бы порядка 190 млрд.

Другая особенность разработки IBM заключается в сверхмалом уровне энергопотребления: для выполнения сортировщиком одной операции требуется всего 1 эВ -- в 100 тыс. раз меньше, чем в случае полупроводниковой схемы с аналогичной функциональностью.

"Наша разработка -- огромный шаг вперед в поиске путей создания нанометровых микроэлектронных устройств, -- считает один из руководителей проекта Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich). -- Молекулярные каскады представляют собой не только новый подход в нанотехнологиях, но и являются первым решением, все компоненты которого были изготовлены и затем объединены друг с другом искусственным способом".

Действительно, а каким же образом получают схемы на основе молекулярных каскадов? Оказывается, они собираются в условиях сверхвысокого вакуума и низкой температуры по одной молекуле с помощью сканирующего туннельного микроскопа. На изготовление одного сложного каскада требуется несколько часов.

Правда, и работают молекулярные каскады при температуре до 10 К, однако главный их недостаток на данный момент заключается в другом -- отсутствии механизма возврата схемы в исходное состояние.

По словам участника проекта Дона Эйглера (Don Eigler), решить указанную проблему предположительно удастся в каскадах, использующих в качестве функциональных элементов не молекулы, а, к примеру, электроны, переходящие из одного квантового состояния в другое.

Ну а пока, по мнению сторонних наблюдателей, технологию IBM следует рассматривать лишь как один из многих новых подходов к созданию микроэлектронных устройств, о возможности практической реализации которого говорить еще рано.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365