Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.1. Молекулярный компьютер
Один из путей решения проблемы предлагает молекулярная электроника, или молетроника. Стало возможным построить транзистор, состоящий всего из одной молекулы. Если из миллиарда таких транзисторов построить процессор, то по размерам он будет не больше острия иглы или песчинки. Но его производительность возрастёт в сотни или даже тысячи раз по сравнению с современными компьютерами, а энергопотребление станет намного меньше. Такие молекулярные процессоры можно встраивать в самые крошечные устройства, внедрять их в волокна ткани, превращая одежду в надеваемый компьютер. «Молекулярные блоки памяти» обеспечат плотность хранения данных, немыслимую для полупроводниковых микросхем. По прогнозам биохимика Дж. Мак Алира, одного из пионеров молекулярной электроники, плотность размещения молекулярных элементов в объёмной 3-D наносхеме может составить 1012…1015 элементов на мм–3. Это в 106 раз выше, чем в нервных волокнах живых организмов. Скорость передачи информации может возрасти в 106 раз.
Сейчас такой прогноз кажется фантастическим. Однако многие специалисты предсказывают появление молекулярных микросхем уже через несколько лет, а начало промышленного производства молекулярных компьютеров в 2015–2020 гг. Крупнейшие кампании всего мира вкладывают огромные средства в развитие этой области. Так, Агентство перспективных оборонных исследований США (DARPA) развернуло грандиозную программу по созданию элементной базы молекулярного компьютера, в которую включились такие промышленные гиганты, как Hewlett Packard и др.
Впервые идея использовать органические молекулы в качестве элементной базы возникла ещё в 1974 г., в фирме IBM, когда её ведущие исследователи А. Авирам и М. Ратнер предложили модель выпрямителя (диода), состоящего из одной органической молекулы. Две половинки этой молекулы обладают противоположными свойствами по отношению к электрону: одна может только отдавать электрон (являясь донором), а другая – только принимать (являясь акцептором). Если поместить такую асимметричную молекулу между двумя металлическими электродами, то вся система будет проводить ток только в одном направлении. Предложения о создании молекулярных систем с направленной электронной проводимостью инициировали экспериментальные работы по синтезу и изучению свойств таких молекул. Выдвигались также идеи создания на их основе аналога полупроводникового транзистора, за счет внедрения между донорной и акцепторной частями молекулы дополнительной управляющей молекулярной группировки (затвора), свойства которого могут быть изменены каким-либо воздействием (подачей напряжения, освещением и т.п.). Если соединить два таких транзистора, получится аналог полупроводникового триггера (вентиля) – устройства, которое может переключаться между двумя устойчивыми состояниями, выполняющими роль логических 0 и 1. А это, по сути, базовый элемент любого компьютера, работающего по принципу бинарной (двоичной) логики.
Следующим шагом в развитии молекулярной схемотехники стал отказ от простого копирования полупроводниковых схем с заменой в них обычных полупроводниковых (кремниевых) транзисторов на молекулярные. Существует множество как природных, так и синтезированных человеком молекул, которые сами по себе могут служить логическими элементами. Их разделяют на два типа: к первому относятся молекулы, обладающие двумя устойчивыми состояниями, которым можно приписать значения 0 и 1. Научившись переключать их из одного состояния в другое, фактически можно управлять молекулярным элементом двоичной логики. Молекулы второго типа содержат фрагменты, способные выполнять функции управляющих элементов. Одна такая молекула может работать как логический элемент НЕ–И, НЕ–ИЛИ и т.д.
На основе уникальных свойств органических молекул уже разработано множество вариантов схем для молекулярного компьютера. Сегодня в мире существуют научно-технические центры, занимающиеся разработкой устройств молекулярной электроники. Ежегодные конференции собирают сотни специалистов в этой области.