ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ Το μέλλον των ηλεκτρονικών υπολογιστών;

ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ

Το μέλλον των ηλεκτρονικών υπολογιστών;

Το μόριο της βενζενοθιόλης, που λειτουργεί σαν μοριακός αγωγός, δοκιμάστηκε μεταξύ δύο ακίδων χρυσού, όπως φαίνεται στο σχήμα. Το σχετικά μεγάλης έντασης ηλεκτρικό ρεύμα, που επιτρέπει να περάσει αυτό το είδος μορίου ταιριάζει με τις απαιτήσεις, ώστε οι μοριακές συσκευές να συνεργαστούν με τα συμβατικά ηλεκτρονικά συστήματα

Την περασμένη χρονιά οι ερευνητές στον τομέα της μικροηλεκτρονικής έκαναν σημαντικές προόδους, που ίσως αλλάξουν το μέλλον της επιστήμης των υπολογιστών, πριν ακόμα μπει η δεύτερη δεκαετία του νέου αιώνα. Οι πρόοδοι αφορούν στα ηλεκτρονικά μοριακής κλίμακας, ένα πεδίο που αναπτύσσεται ραγδαία γύρω από τη θέση ότι είναι δυνατή η κατασκευή μεμονωμένων μορίων που μπορούν να λειτουργήσουν όπως ακριβώς ή ανάλογα με τα συμβατικά τρανζίστορς, τις διόδους, τους αγωγούς και τα άλλα στοιχεία των σημερινών μικροκυκλωμάτων.

Μετά από μια περίοδο υψηλών προσδοκιών, αλλά ελάχιστων χειροπιαστών αποτελεσμάτων, αρκετές εξελίξεις των τελευταίων χρόνων αύξησαν τις πιθανότητες ότι αυτή η τεχνολογία ίσως μια μέρα να δώσει τα συστατικά στοιχεία για τις επόμενες γενιές, των εξαιρετικά μικροσκοπικών, υπέρπυκνων κυκλωμάτων των υπολογιστών. Σε μια αξιόλογη σειρά επιδείξεων, χημικοί, φυσικοί και μηχανικοί έδειξαν ότι μεμονωμένα μόρια μπορούν να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα, να λειτουργούν σαν ηλεκτρικοί διακόπτες και να αποθηκεύουν πληροφορίες.

Τον Ιούλη του 1999, ερευνητές της εταιρίας Χιούλετ - Πάκαρντ και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Αντζελες ανακοίνωσαν ότι κατασκεύασαν ηλεκτρονικό διακόπτη που αποτελείται από ένα στρώμα εκατομμυρίων μορίων μιας οργανικής ουσίας που ονομάζεται ροταξάνη. Συνδέοντας αρκετούς μοριακούς διακόπτες, οι ερευνητές κατασκεύασαν στη συνέχεια μια στοιχειώδη πύλη ΚΑΙ (AND), δηλαδή τη μικροηλεκτρονική συσκευή που πραγματοποιεί μια βασική λογική λειτουργία. Με περισσότερα από ένα εκατομμύριο μόρια ο καθένας, οι διακόπτες αυτοί είναι κατά πολύ μεγαλύτεροι από το επιθυμητό. Και ακόμα χειρότερα, μπορούν να ενεργοποιηθούν μόνο μια φορά και μετά είναι άχρηστοι. Ωστόσο, η συναρμολόγησή τους σε μια λογική θύρα ήταν θεμελιώδους σημασίας.

Μερικούς μήνες μετά από την ανακοίνωση αυτή, ομάδες ερευνητών στα πανεπιστήμια Γέιλ και Ράις δημοσίευσαν αποτελέσματα για μια διαφορετική κατηγορία μορίων που λειτουργούν σαν αντιστρεπτοί διακόπτες. Ενα μήνα μετά, οι ίδιες ομάδες περιέγραψαν ένα μόριο που είχαν δημιουργήσει και το οποίο μπορούσε να αλλάξει την ηλεκτρική του αγωγιμότητα, αποθηκεύοντας ηλεκτρόνια, λειτουργώντας σαν στοιχειώδης συσκευή ηλεκτρονικής μνήμης.

Για να κατασκευάσουν το μοριακό διακόπτη, οι ερευνητές εισήγαγαν μέσα στα μόρια τμήματα που μπορούν να παγιδεύσουν ηλεκτρόνια, αλλά μόνο αν εφαρμοστεί σ' αυτά ηλεκτρική τάση ενός ορισμένου μεγέθους. Ετσι, ο βαθμός στον οποίο τα μόρια αντιστέκονται στη ροή των ηλεκτρονίων εξαρτάται από την ηλεκτρική τάση που εφαρμόζεται πάνω σ' αυτά. Μάλιστα, μεταβάλλοντας την τάση, μπόρεσαν να αλλάζουν κατά βούληση την κατάσταση των μορίων από αγώγιμη σε μη αγώγιμη. Αυτή είναι η βασική απαίτηση για έναν ηλεκτρικό διακόπτη. Η λιλιπούτεια ηλεκτρονική συσκευή απαρτιζόταν από περίπου 1.000 μόρια νιτροαμινοβενζενοθιόλης σε μορφή σάντουιτς μεταξύ μεταλλικών επαφών.

Μετά την κατασκευή του διακόπτη, οι ερευνητές αντιλήφθηκαν ότι αν ξανασχεδίαζαν το μόριο έτσι ώστε να διατηρεί τα ηλεκτρόνια, αντί να τα παγιδεύει προσωρινά, θα είχαν το ανάλογο ενός στοιχείου συμβατικής ηλεκτρονικής μνήμης. Για να το πετύχουν τροποποίησαν την περιοχή του μορίου που παγιδεύει ηλεκτρόνια, έτσι ώστε η αγωγιμότητά της να μπορεί να αλλάζει συνεχώς. Το πείραμα όχι μόνο πέτυχε, αλλά η μοριακή μνήμη αποδείχτηκε ότι διατηρεί το περιεχόμενό της για 10 ολόκληρα λεπτά χωρίς εξωτερική παρέμβαση, ενώ οι βασισμένες στο πυρίτιο μνήμες τυχαίας προσπέλασης (RAM) το διατηρούν μόλις για μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, γι' αυτό απαιτούν ειδικά κυκλώματα που «φρεσκάρουν» την πληροφορία πολλές φορές το δευτερόλεπτο.

Αν και οι πρόοδοι αυτές είναι ενθαρρυντικές, τα προβλήματα που παραμένουν είναι τεράστια. Η δημιουργία μεμονωμένων συσκευών είναι ένα απαραίτητο αρχικό βήμα. Αλλά πριν κατασκευαστούν πλήρη, χρήσιμα κυκλώματα, πρέπει να βρεθεί τρόπος για να ακινητοποιηθούν εκατομμύρια, αν όχι δισεκατομμύρια, μοριακές συσκευές διαφόρων ειδών πάνω σε κάποια σταθερή επιφάνεια και να συνδεθούν με κάθε επιθυμητό τρόπο και σε οποιαδήποτε διάταξη επιβάλλουν τα διαγράμματα κυκλωμάτων των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Η τεχνολογία αυτή είναι ακόμη πολύ νέα, για να μπορέσει κανείς να πει με βεβαιότητα αν αυτή η τεράστια πρόκληση θα μπορέσει ποτέ να αντιμετωπιστεί με επιτυχία.

Αφού οι δυσκολίες είναι τόσο πολλές και μεγάλες, γιατί αποτελούν σημαντική εξέλιξη οι πρόοδοι στον τομέα της μοριακής μικροηλεκτρονικής; Η απάντηση έχει να κάνει με τα προβλήματα που συνδέονται με το σημερινό είδος τεχνολογίας που χρησιμοποιούμε για την κατασκευή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Πρόκειται για την τεχνολογία πυριτίου στερεάς κατάστασης, που μέχρι τώρα ακολουθεί τον περίφημο νόμο του Μουρ. Σύμφωνα μ' αυτόν, ο αριθμός των τρανζίστορς που μπορούν να κατασκευαστούν πάνω σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα πυριτίου και κατ' επέκταση η ταχύτητα ενός τέτοιου κυκλώματος διπλασιάζεται κάθε 18 ως 24 μήνες. Ακολουθώντας αυτή την καταπληκτική καμπύλη ανάπτυξης για περίπου τέσσερις δεκαετίες, η μικροηλεκτρονική σταθερής κατάστασης έχει φτάσει στο σημείο, όπου οι μηχανικοί μπορούν να τοποθετήσουν πάνω σε ένα λεπτό φύλλο εμβαδού μερικών τετραγωνικών εκατοστών 100 εκατομμύρια τρανζίστορς, μεγέθους 0,18 εκατομμυριοστών του μέτρου!

Αυτά τα τρανζίστορς είναι κατά πολύ μεγαλύτερα των συσκευών μοριακής κλίμακας. Αν ένα συμβατικό τρανζίστορ μεγεθυνόταν ώστε να καταλάβει το μέγεθος αυτής της σελίδας, τότε μια μοριακή συσκευή θα ήταν λίγο μεγαλύτερη από την τελεία στο τέλος αυτής της πρότασης. Ακόμα και μετά από πολλά χρόνια, όταν οι προβλέψεις δείχνουν ότι τα τρανζίστορς πυριτίου θα έχουν συρρικνωθεί σε μόλις 120 νανόμετρα, θα είναι και πάλι 60.000 φορές πιο μεγάλα από τις μοριακές ηλεκτρονικές συσκευές.

Παραπέρα, κανείς δεν περιμένει ότι τα συμβατικά μικροηλεκτρονικά πυριτίου θα συνεχίσουν να ακολουθούν το νόμο του Μουρ επ' άπειρο. Κάποια στιγμή, οι κατασκευαστές των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων θα διαπιστώσουν ότι είναι οικονομικά ασύμφορο να συνεχίσουν τη συρρίκνωση αυτών των συσκευών. Καθώς περισσότερα τρανζίστορς συμπιέζονται στην ίδια επιφάνεια, τυχαία σήματα στο κύκλωμα, η αδυναμία διάχυσης της παραγόμενης θερμότητας και η ίδια η δυσκολία της κατασκευής τους θα επιβραδύνουν, ίσως και να σταματήσουν τη διαδικασία αύξησης της ταχύτητας των τσιπς από γενιά σε γενιά. Τότε μια διαφορετική τεχνολογία θα πρέπει να είναι έτοιμη να δώσει τη λύση. Ισως αυτή η τεχνολογία να είναι η μοριακή μικροηλεκτρονική.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»

    

Το συμβατικό μικροτρανζίστορ (α) έχει τρεις ακροδέκτες, γνωστούς σαν εκπομπός, βάση και συλλέκτης. Μια θετική τάση που εφαρμόζεται στη βάση τραβά ηλεκτρόνια στο μονωτή επιτρέποντας το πέρασμα ρεύματος μεταξύ εκπομπού και συλλέκτη (β). Ενα μόριο βασισμένο σε τρεις δακτυλίους βενζενίου (γ) χρησιμοποιήθηκε επίσης ως ηλεκτρικός διακόπτης. Το κεντρικό δαχτυλίδι έχει ασύμμετρα τμήματα, που του επιτρέπουν να περιστρέφεται όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο (δ). Με την εφαρμογή κατάλληλης τάσης, το μόριο επιτρέπει το πέρασμα ρεύματος.