Игра воображения

Совершить революционное открытие исследователям из компании IBM удалось благодаря обычным костяшкам домино.

Порой замечательные инновационные проекты рождаются буквально на пустом месте, из скромной подсказки или аналогии. И сегодня есть возможность рассказать именно о таком случае - рождении из ничего нового направления в микроэлектронике, которое, возможно, когда-нибудь затмит полупроводники и оптику. Это - молекулярная логика, созданная исследователями из IBM. А в основе её - механизм, ежедневно используемый детьми в своих играх. Впрочем, обо всём по порядку.

Всё началось с того, что Андреасу Хейнриху (Andreas Heinrich) из Алмаденского исследовательского центра IBM пришла в голову любопытная мысль. Все мы помним забавную демонстрацию цепной реакции в колонне из десятков костяшек домино - когда одна упавшая костяшка заставляет упасть все остальные. Хейнрих же решил воспользоваться этим для того, чтобы создать простейший логический элемент. В самом деле, к примеру, операция OR (логическое "ИЛИ"), сводится к банальному сложению двух бит: она даёт "0" в случае, если оба входных бита были нулевыми, и "1" если хотя бы один из них отличался от нуля. Хейнрих придумал как реализовать это с помощью костяшек домино: он выстроил из них две независимых цепочки, которые сходились вместе наподобие буквы "V" и оканчивались одним общим элементом. Заставить этот последний элемент цепи упасть можно было задействовав любую цепочку, либо (одновременно, конечно) обе вместе.

Первый успех обнадёжил - и, запасшись шестью сотнями костяшек, исследователь похожим образом сконструировал цепочечную схему для элемента "AND" (логическое "И"). Здесь конструкция оказалась много сложней, но работала она столь же качественно. До полного набора не хватало лишь операции "NOT", но её Хейнрих пока построить не сумел. Впрочем, это не помешало ему начать комбинировать два уже созданных элемента, конструируя сравнительно сложные логические схемы. Солидного физика, дни напролёт проводившего за игрой в домино, поддерживали не только его коллеги по лаборатории, но и начальство - немедленно распорядившееся выделить деньги на новые комплекты костяшек. Прошло несколько месяцев - и 24-го октября Хейнрих сотоварищи явили миру настоящее чудо: точную молекулярную копию своих настольных забав.

Воспользовавшись сканирующим туннельным микроскопом, сверхвысоким вакуумом, молекулами угарного газа (CO, если школьный курс химии ещё не забыт) в качестве костяшек домино и медной подложкой в качестве игрового стола, учёные сумели выстроить в нанометровых масштабах самые маленькие на сегодняшний день логические элементы. Размеры их примерно в 260 тыс. раз меньше тех элементов, что видим мы в современной микроэлектронике. А что до устройства и принципа действия - так они полностью копировали придуманные и проверенные с помощью домино. Хотя, отличия, конечно, были. Молекулы CO выстраивались в ровную цепочку благодаря размещению в ячейках подложки, образованных атомами меди - при этом габариты молекул были несколько больше, чем ячеек, поэтому они "толпились", касаясь друг друга краями и не доставая до дна (тут Хейнрих предлагает ещё одну аналогию: крупные теннисные шары в маленьких ячейках картонной тары из под яиц). Стоило сместить одну молекулу - и остальные меняли своё положение вслед за ней, порождая цепную реакцию.

Аналогично конструкциям, выстроенным на столе, из молекул были построены достаточно сложные схемы - самой большой из которых стал трёхвходовый сортировщик. Впрочем, всё познаётся в сравнении: габариты этой конструкции составляют 12х17 нанометров, так что на поверхности карандашной стирательной резинки диаметром в 7 мм. их поместится около 190 миллиардов. Чрезвычайно маленькие размеры - одно из главных достоинств молекулярной логики. Среди прочих заметных - крайне низкое энергопотребление (в сто тысяч раз меньше, нежели у логических элементов, выполненных из полупроводников), а также практически полное отсутствие ошибок в работе.

К сожалению, хватает у молекулярной логики и недостатков. Пожалуй, самый большой из них - потрясающе низкое быстродействие: на срабатывание элемента может уходить несколько секунд. Кроме того, пока что такие схемы одноразовы - единожды сработав, они не могут быть использованы повторно. Плюс ко всему, работают они лишь в условиях вакуума, при очень низких температурах (4 - 10 градусов выше абсолютного нуля), и требуют крайней скрупулёзности при своём составлении (которое, кстати, ведётся вручную - на электронном микроскопе). Тем не менее, авторы разработки настроены оптимистично: результаты уже первых опытов показывают, что быстродействие молекулярных элементов растёт с ростом температуры, высокая точность сборки может быть обойдена, а многократность работы достигнута созданием специальных механизмов. Работа продолжается.