Molecular Computing

För Mark Reed har framtiden för molekylär elektronik precis anlänt. En självbeskriven enhetskille, Reed, som leder Yale Universitys elektroteknikavdelning, är stolt över att ha en distinkt praktisk böjelse. Fråga honom om möjligheten att en dag använda molekyler för att ersätta kisel i datorer som är miljarder gånger snabbare än dagens datorer eller som passar på en stift, och han grimaserar. Jag vet inte hur man gör det. Det tror jag inte att någon gör, säger han avvisande.

Men det dämpar inte spänningen som Reed, en ledande forskare inom molekylär elektronik, känner. Med hjälp av molekyler syntetiserade av Rice University-kemist James Tour, har Reed tillverkat elektroniska minnen och ett enkelt logiskt element som består av molekyler som fungerar som små, individuella omkopplare. Enheterna, som är beroende av små organiska molekyler som skräddarsytts av Rice-kemisterna för att ha precis rätt elektroniska egenskaper, är grova laboratorieexperiment. Men de fungerar - molekylerna fungerar som en komponent i ultrasmå elektroniska enheter som kan slå på och av ström. Dessutom har dessa tidiga prototyper redan visat antydningar om att utföra minnes- och logiktrick som inte är möjliga med kiselhalvledare.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2000

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Mest imponerande, säger Reed, är att de molekylära enheterna är förvånansvärt lätta och potentiellt billiga att tillverka. Du doppar helt enkelt en kiselskiva fodrad med metallelektroder i en bägare fylld med rätt kemikalier och ger molekylerna några minuter att bildas på elektroderna. Om du är smart nog med kemin är det möjligt att locka molekylerna att spontant orientera sig på elektroderna. Det fungerar vackert - och det fungerar varje gång, säger Reed.

Det kan fungera varje gång, men det finns betydande kontroverser om vad dessa kemiska reaktioner någonsin kommer att uppgå till. Medan sanna troende föreställer sig en värld där mikroskopiska molekylära datorer tillverkade till låg kostnad utför anmärkningsvärda beräkningar, tror skeptiker att fältet har tappat den verkliga världen av tekniska gränser ur sikte. Samtidigt tror enhetskillar som Reed att framtiden - i form av fungerande prototyper som kan integreras med konventionell kiselteknik - är nu.

Kärnfördelen med molekylär datoranvändning är potentialen att packa mycket mer kretsar på ett mikrochip än vad kisel någonsin kommer att kunna göra - och att göra det billigt. Halvledartillverkare kan nu fylla på cirka 28 miljoner transistorer på ett chip genom att krympa de minsta egenskaperna hos transistorerna till cirka 180 nanometer (miljarddelar av en meter). Med konventionella chiptillverkningsmetoder, men ju mindre du gör en funktion, desto dyrare och svårare blir processen. Många halvledarexperter tvivlar på att kommersiella tillverkningsmetoder ekonomiskt kan göra kiseltransistorer mycket mindre än 100 nanometer. Och även om chiptillverkarna skulle kunna komma på ett rimligt sätt att etsa dem på ett chip, skulle ultrasmå kiselkomponenter förmodligen inte fungera: vid transistordimensioner på runt 50 nanometer börjar elektronerna lyda udda kvantlagar och vandrar där de är. inte ska vara.

Molekyler, å andra sidan, är bara några få nanometer stora, vilket gör det möjligt för chips som innehåller miljarder - till och med biljoner - av switchar och komponenter. I inledande experiment har forskare lagt ett stort antal molekyler mellan metallelektroder. Enheterna fungerar dock eftersom varje molekyl fungerar som en switch. Om det var möjligt att koppla ihop ett litet antal molekyler som individuella elektroniska komponenter för att bilda kretsar, skulle resultatet förändra allt i datordesign. Molekylära minnen kan ha en miljon gånger så stor lagringstäthet som dagens bästa halvledarchips, vilket gör det möjligt att lagra livets upplevelser i en gadget som är lika stor som ett armbandsur. Superdatorer kan vara tillräckligt små och billiga nog att integreras i kläder. Oron för att datorteknik snart ska slå in i en vägg skulle försvinna.

Dessa ansökningar är decennier borta - om de någonsin förverkligas. Ändå, hävdar Reed, kan vissa användningsområden för molekylär elektronik snart vara genomförbara. Ultrasmå, billiga molekylära enheter kan sitta sida vid sida med kisel, vilket minskar antalet transistorer och den effekt som krävs av kretsen. Det här är något man skulle kunna använda idag, något man skulle kunna sälja i Radio Shack, säger Reed. Detta har en chans att totalt förändra kiselekonomin.

För att göra det till verklighet har Reed, Tour och kemister från Pennsylvania State University varit med och grundat en startup som heter Molecular Electronics. Gruppen avböjer att säga vilka de ursprungliga produkterna kommer att vara, men Tour säger att det inte verkar orealistiskt att ha ett fungerande system om ett par år.

Tills helt nyligen skulle den förutsägelsen ha verkat långsökt. Men under det senaste året har fältet tagit ett steg från teorin till det praktiska. Liksom deras konkurrenter på Yale och Rice har ett västkustsamarbete mellan kemister och datavetare från Hewlett-Packard och University of California, Los Angeles, nyligen karakteriserat molekyler som kan fungera som elektroniska switchar och minne (se tidigare nummer: Computing After Silicon , TR september/oktober 1999). R. Stanley Williams, som leder arbetet på HP, säger att hans team förväntar sig att bygga en prototyp av en logisk krets som integrerar ett litet antal molekylära enheter i nanoskala inom 18 månader. Vi har omkopplarna och kablarna – komponenterna för att faktiskt skapa äkta nanokretsar, säger Williams.

Receptet

Åtminstone i teorin är det enkelt att sätta ihop en molekylär elektronisk enhet. I den version av receptet som gynnas av HP/UCLA-samarbetet, gör forskarna först ett enda monolager av de rätta organiska molekylerna i en kemisk apparat som kallas ett Langmuir-tråg; de doppar sedan ett kiselsubstrat täckt av ett mönster av metallelektroder i tråget. Om kemin är helt rätt, kommer molekylerna att binda till metallelektroderna och orientera sig snyggt. En andra uppsättning elektroder avsätts sedan på molekylerna; resultatet är ett monolager av de organiska molekylerna inklämda mellan metallelektroder.

Utmaningen är att de flesta organiska molekyler inte alls är elektriska ledare, strunt i att ha de elektroniska egenskaperna som låter dem fungera som en effektiv switch. Det som behövs för att få systemet att fungera elektroniskt är specialanpassade molekyler som slår på och av upprepade gånger på ett tillförlitligt och detekterbart sätt (egenskaperna som har gjort kisel så framgångsrikt). Att komma på molekyler som kan göra susen är domänen för kemi-trollkarlar som Rice's Tour och UCLA:s James Heath och Fraser Stoddart.

Deras trolldom började ge stor utdelning i höstas. Först publicerade HP/UCLA-gruppen ett dokument som beskrev vad som i själva verket är en molekylär säkring - en engångsbrytare baserad på en komplex, hantelformad organisk molekyl som kallas rotaxan; forskarna har sedan gjort reversibla växlar. De visade också hur enheten kunde utföra enkla logik- och minnesfunktioner. Inom några månader konkurrerade Yale/Rice-samarbetet med den bedriften genom att beskriva syntesen av andra organiska molekyler som fungerar som elektroniska enheter.

Trots skillnaderna i molekylära detaljer drar de två forskargrupperna fördel av samma kvanteffekter som så småningom kan sätta grundläggande gränser för kiselhalvledare. Molekylerna som separerar de två elektroderna skulle normalt blockera strömflödet. I individuella molekylers nanovärld kan elektroner dock tunnla genom en barriär som enligt klassisk fysik borde blockera deras väg. Genom att manipulera en spänning placerad över elektroderna kan forskarna justera tunnelhastigheten och på så sätt slå på eller av strömmen.

Reed har redan börjat tänka på sätt att använda molekylära enheter i kombination med konventionellt kisel. En typ av kvantlogikgrind som Reed nyligen har byggt skulle till exempel göra samma specialiserade funktion som sju mycket större kiseltransistorer, vilket avsevärt minskar storleken och strömförbrukningen för en integrerad krets. Och medan tillverkning av konventionella transistorer kräver komplex och dyr bearbetning, kan den molekylära enheten limmas på kretsen, säger Reed.

Molekyler kan också ge ultrabilligt elektroniskt minne med några attraktiva egenskaper. Den vanligaste typen av halvledarminne kallas DRAM, för dynamiskt direktminne. (Detta är korttidsminnet som din dator litar på när den kör ett program.) Problemet med DRAM är att den lagrade informationen förångas när strömmen stängs av - den är flyktig. Det är anledningen till att du måste starta upp Windows varje gång du sätter på din dator och flyttar programmet från din hårddisk till DRAM-kretsarna. Men en experimentell molekylär enhet som Reed gjorde i höstas håller data i mer än 10 minuter efter att strömmen stängts av. Anta att vi kan få det upp till flera år, säger Reed. Det skulle i huvudsak vara ett icke-flyktigt minne. Föreställ dig hur många gånger du inte skulle behöva starta upp Windows.

Även om dessa tidiga tillämpningar är världar borta från de miljardtransistormolekylära datorer som entusiaster föreställer sig, kan de visa värdet av organiska molekyler som ett elektroniskt material. De är en kamelnäsa under tältet, säger Reed och tillägger att dessa hybridenheter redan är väldigt realistiska. De är det första steget på vägen till mer komplexa [molekylära] kretsar.

Det lär dock bli en lång väg. Även en enkel dator gjord av molekylära komponenter är minst ett decennium borta - och då bara om vi blir riktigt smarta, erkänner Williams. Men HP-kemist säger att hans grupp redan är på väg. I sina första prototyper har forskarna i Kalifornien tillverkat de övre och nedre metalltrådarna som vinkelräta rutnät, vilket skapar en tvärstångsstruktur med molekylerna som sitter vid korsningarna mellan trådarna. Hittills har gruppen gjort enheter med metallkontakter som är tusentals nanometer i diameter; det finns miljontals molekyler vid varje korsning. Men Williams säger att gruppen senare i år räknar med att ha ledningar som mäter några nanometer i diameter. Det var inte vettigt att göra allt hårt direkt. Så vi använde mycket större ledningar. Nu gör vi experimenten för att byta till mindre ledningar och göra mätningarna.

De nästan perfekta kandidaterna för sådana små trådar är strukturer som kallas kolnanorör. Dessa regelbundet formade rör, bara några få nanometer i diameter, skulle kunna vara utmärkta ledningar för elektroner som rusar genom en molekylär krets. Problemet är att nanorör tenderar att bildas som en trasslig röra långt från de prydligt ordnade arrayer som behövs för att tillverka komplexa kretsar. Att bygga alla strukturer med nanorör är nu en konstform, säger fysikern Paul McEuen från University of California, Berkeley. Vi kastar i princip ner dem på marken och letar efter [den struktur] vi vill ha.

HP/UCLA-gruppen är övertygad om att de kommer att lösa ledningsproblemet. Så småningom kommer nanorör att användas. Deras elektroniska och fysiska egenskaper är så önskvärda, säger Williams. För tillfället, säger han, arbetar gruppen också med nanotrådar av kisel. Och, lovar Williams, med eller utan kolnanorör, till sensommaren kommer forskarna att skala ner korsningarna mellan enheter till mindre än 10 nanometer. De kortsiktiga målen är ett 16-bitars minne som är 100 nanometer på en sida, och strax efter det en logisk enhet av liknande storlek. Dessa rudimentära kretsar kanske inte hotar kiseltiden, men de kan vara en milstolpe för att bevisa att molekylär elektronik är genomförbart.

Men sedan kommer den verkligt skrämmande delen: att förvandla dessa enkla enheter till komplexa logiska kretsar och integrera dem i en verklig dator. En av påföljderna du betalar för att göra mikroelektronik baserad på kemi är att, till skillnad från kiselchips tillverkade i högteknologiska tillverkningsanläggningar, kommer molekylära enheter som syntetiseras i kärl med kemikalier att vara fulla av defekter. På skalan för individuella molekyler ges kemi åt statistiska fluktuationer - ibland fungerar det och ibland inte. Men det är här som HP/UCLA-forskarna hävdar att de har gjort sitt viktigaste genombrott.

Deras svar: programvara som övervinner defekterna. För flera år sedan byggde datavetare på HP en superdator som heter Teramac, med defekta kiselchips så felaktiga att de ansågs vara värdelösa. HP-forskarna klippte ihop dessa avvisade chips till en dator genom att utveckla en tvärbalksarkitektur som gör det möjligt att ansluta vilken ingång som helst med vilken utgång som helst. När hårdvaran väl byggts programmerades datorn att identifiera och dirigera runt eventuella defekter. Systemet fungerade - och dess massiva parallellism gav en arketyp som forskarna i Kalifornien planerar att använda för sin molekylära dator.

En kemist som arbetar vid en dator är en bisarr sak. Du kan inte gå till en kemist och be dem bygga en dator, säger Heath, en av UCLA-forskarna som hjälper till att syntetisera de nödvändiga komponenterna. Men, säger han, Teramac-arkitekturen har gett HP/UCLA-gruppen ett klart definierat mål. Programvaran kommer att förvandla den till en maskin, säger Heath. Den där molekylära datorn kan vara långt borta, erkänner han. Men det finns ingen anledning till att det inte kommer att fungera.

Världen mellan

Medan folk som Heath är glada, har tekniken sin del av tvivlare. Området molekylär elektronik är kär i sig själv, säger Rick Lytel, datavetare på Sun Microsystems. Trots sin skepsis håller Lytel dock ett skarpt öga på fältet för Sun och utvecklar specifikationer för att testa och utvärdera prototyper av molekylära enheter. Han tror att molekylär elektronik så småningom kan hitta användningsområden som minnesenheter. Men Lytel säger att många av hans kollegor på området har lurat sig själva att tro att de bara är ett steg bort från marknaden.

Till och med de som tror på möjligheterna till molekylär elektronik är oense med varandra om vilken roll tekniken kommer att spela inom beräkningar och elektronik. Ta Mark Ratner, en kemist vid Northwestern University som allmänt anses vara en av fältets farfäder. Ratner tvivlar på att molekyler någonsin kommer att konkurrera direkt med kisel i komplexa beräkningsuppgifter. Man vill använda molekyler för det de är bäst på och för att kompensera för var kisel kommer till korta, säger Ratner. I synnerhet pekar han på deras förmåga att känna igen och svara på andra molekyler. Genom att kombinera dessa funktioner med de nyutvecklade elektroniska egenskaperna kan du skapa små sensorer och ställdon som upptäcker och reagerar intelligent på biologiska och kemiska ledtrådar. Det kan, säger Ratner, möjliggöra implanterbara biochips som innehåller sensorer och ställdon gjorda av molekylär elektronik som känner av kroppens behov och svarar genom att släppa ut en lämplig dos medicin.

För denna pionjär inom molekylär elektronik skulle fältets verkliga potential kunna realiseras genom att föra samman mikroelektronikens värld med biologins och molekylernas värld. Molekylär elektronik, föreslår Ratner, kan vara pusselbiten som äntligen hjälper till att överbrygga materialgapet mellan biologi och datoranvändning.

Molekylär provtagare Organisation Nyckelforskare Fokus Delfts tekniska universitet Cees Dekker Använder kolnanorör som nanotrådar och elektroniska enheter; har byggt en transistor av ett enda nanorör Harvard University Charles Lieber Syntetisera arrayer av kolnanorör som kan fungera som både ledningar och elektroniska enheter Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Kemisk sammansättning av arrayer av omkonfigurerbara switchar för minne och logik; Målet är att bygga en molekylär dator. IBM Research Phaedon Avouris Studerar egenskaperna hos nanorör; har gjort en transistor av ett enda nanorör Rice University James Tour Utveckling av en självmonterad dator med ett starkt sammankopplat nätverk av logik och minne; har syntetiserat molekyler med önskvärda egenskaper University of Colorado Josef Michl Bygga en molekylär dator; har gjort lämpliga molekyler och korta ledningar Yale University Mark Reed Samarbetar med Rice University för att bygga en molekylär dator; har tillverkat molekylära switchar och minnesenheter

Dölj