Программа Moletronics в DARPA была изначально создана для того, чтобы оптимизировать размер, массу, мощность и многоканальность, а затем проектировать необходимые для вычисления элементы вокруг основных строительных единиц. В один прекрасный день это произведет революцию в современной полупроводниковой отрасли за счет добавления новых функций кремниевым устройствам, которые в свою очередь позволят создать новые применения.

Управление перспективных исследовательских проектов (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA) продолжает работу над своими многообещающими концепциями: от изобретения истребителей-невидимок до создания нового класса компьютеров будущего. Эти компьютеры будущего должны быть маленькими и легкими, они должны потреблять мало энергии и обладать свойствами, которые, в конечном счете, расширят вычислительные возможности компьютеров так, что они сравняются со способностями человеческого мозга или превзойдут его.

Воспоминания о будущем
Основной задачей программы Moletronics Управления перспективных исследовательских проектов является создание прототипа 16-ти килобитной нанокомпьютерной памяти к началу 2005 г. Этот прототип будет интегрирован на молекулярном уровне, и его размеры составят примерно 10 мкм × 10 мкм, что примерно соответствует размерам человеческой клетки. Соответственно плотность целевого устройства для нанопамяти составляет 100 Гбит/см2. На данном уровне интеграции, прототип будет иметь плотность в десять раз больше, чем та динамическая оперативная память (DRAM), которую проекты кремниевой промышленности намечают получить к концу работ в 2016 г. В качестве дополнительных задач нанопамять, создаваемая в рамках программы Moletronics, должна быть энергонезависимой и иметь малую мощность, а также быть нечувствительной к дефектам и сбоям. У нее также должен быть интерфейс ввода/вывода с микроэлектронными системами; она должна изготавливаться с использованием новой технологии иерархической самосборки, которая, в конечном итоге, обеспечит создание способа рентабельного массового производства системы.
Несколько комплементарных технических подходов успешно используется в рамках реализации программы Moletronics для того, чтобы продемонстрировать различные схемы электронной нанопамяти молекулярного уровня. В их число входят:
1) переключатели, выполненные из электрически активных молекул, помещенных между впечатанными металлическими нанопроводами на пересечениях нанопроводов разнесения частот;
2) размещение наноразмерных диодов и транзисторов, сформированных на пересечениях активированных самособирающихся полупроводниковых нанопроводов;
3) набор электрически активных молекул порфиринов, которые используются для повышения плотности DRAM на традиционных кремниевых комплементарных металло-оксидных полупроводниках (Si CMOS).
К числу основных инноваций и изобретений программы относятся: новые молекулярные переключатели и провода, диоды и транзисторы молекулярного уровня, построенные из нанопроводов, а также технологии для прецизионного массового производства и сборки/впечатывания большого количества нанопроводов молекулярного размера, новых молекулярных электронных устройств, и моделирования систем, которые были написаны специально для программы Moletronics. Они широко используются для того, чтобы направлять исследования и обеспечивать функциональность предлагаемых конструкций и архитектур заранее, сокращая, тем самым, весь цикл разработки.

Молекулярные электронные цепи
Лаборатории Hewlett-Packard разработали технологию создания перекрестных молекулярных цепей с самым плотным из известных на сегодняшний день запоминающим устройством с электронной адресацией. Демонстрационная схема лаборатории – 64-разрядная память, использующая молекулы в качестве переключателей, занимает площадь в 1 мкм2, как показано на Рис. 1. Плотность расположения бит в запоминающем устройстве более чем в десять раз выше, чем в современных кремниевых чипах памяти. Здесь также впервые сочетаются память и логика с использованием поддающихся перезаписи, энергонезависимых молекулярно-переключательных устройств. Цепи были изготовлены с использованием литографии наноотпечатка.

 
Рис. 1. Атомно-силовой микроснимок перекрестной схемы 8 × 8.

В схемах нижний нанопроводной электрод определяется с помощью литографии отпечатка. Молекулярный монослой ротаксана наносится за счет использования метода Ленгмюра-Блоджетта (Рис. 2). Создание верхних электродов начинается с испарения поверхностного защитного слоя титана 7,5 нм, что сводит к минимуму последующее разрушение молекулярного монослоя, а также позволяет осуществлять непосредственный электрический контакт с молекулами. Смоделированные верхние электроды из титана в 5 нм и платины в 10 нм затем изготавливаются с помощью той же технологии, с использованием той же печатной формы, ориентированной перпендикулярно по отношению к нижним электродам. В заключение, используется реактивное ионное травление (RIE) для удаления защитного титанового слоя, платиновые электроды при этом остаются в неприкосновенности. Молекулы и титановый слой под платиновым верхним электродом защищены. После RIE, остаются перекрестные схемы с молекулярным монослоем, встроенным между верхними и нижними нанопроводами.

 
Рис. 2. Принципиальная схема, показывающая структуру цепи.

Основным элементом цепи является соединение Pt/молекула/Ti, которое формируется на каждом месте скрещивания и функционирует как перекидной энергонезависимый переключатель; 64 таких переключателя соединены для того, чтобы образовать перекрестную цепь 8 × 8 в пределах участка в 1 мкм2. Для того чтобы продемонстрировать демультиплексорную/мультиплексорную функциональность, интегрированную с памятью, была сконфигурирована бездефектная перекрестная схема 8 × 8 в память 4 × 4, а также два декодера 4 × 4 за счет установки сопротивлений в соответствующие места перекрещивания. В демультиплексерных/мультиплексерных логических схемах, были использованы различные коды номера ячейки для выбора и передачи сигналов от проводов многоканальных входов к проводам одноканальных входов (и/или от провода одноканального входа к одному или нескольким выходным проводам) для считывания сопротивлений в память.
Помимо разработки молекулярных электронных схем высокой плотности, которые образуют основные структурные компоненты для молекулярной компьютерной системы, молекулярные запоминающие устройства встраиваются в CMOS для создания гибридной системы. Такой подход обеспечивает возможность скорого включения молекулярных устройств в традиционные запоминающие устройства на кремниевой основе.

Гибридные запоминающие устройства
Исследователи из Университета Калифорнии-Риверсайд, Университета штата Северная Каролина (NCSU), и компания ZettaCore, Inc. недавно продемонстрировали первый полнофункциональный гибрид CMOS с молекулярным запоминающим устройством. Разработка гибридных устройств является первым важным шагом для создания переходной технологии, которая приведет к созданию класса полностью молекулярных компьютеров.
В гибридном устройстве молекулы порфирина присоединены, как показано на Рис. 3, к литографически созданной кремниевой платформе с определенным расположением ячеек памяти, Рис. 4. Биты информации хранятся в дискретных состояниях окисления-восстановления молекул порфирина. Порфирины являются особенно привлекательными кандидатами для применения в запоминающих устройствах, поскольку они обладают способностью хранить множество битов информации (некоторые молекулы на основе порфирина способны хранить три бита информации). Это сильно уменьшит сложность и повысит емкость запоминающего устройства. В прототипическом гибриде CMOS и молекулярного устройства ( Рис. 4) область памяти полностью интегрирована с расположенными на том же кристалле усилителями считывания, которые изготовлены с помощью традиционных методов. Данные усилители были спроектированы для считывания множества битов.

 
Рис. 3. Запоминающая молекула порфирина.

 
Рис. 4. Прототипический гибрид CMOS и молекулярного запоминающего устройства.

В то время как гибридные устройства дают возможность скорейшего использования молекулярных устройств в компьютерных продуктах, подход с использованием случайной сборки на основе ячейки, содержащей наноразмерные компоненты, или НаноЯчейки представляют собой дерзкий новый способ осуществления производства и сборки. Концепция НаноЯчеек сочетает в себе современную технологию, основанную на использовании кремниевых компонентов, и технологию, основанную исключительно на использовании молекулярных переключателей и проводов. В случае успеха подход с использованием случайной сборки НаноЯчеек произведет революцию в области построения структур компьютеров и переконфигурации схем для осуществления вычислительных операций.

НаноЯчейки для молекулярных компьютерных операций
Наноэлектронные архитектуры могут оказаться способными дополнить традиционные твердотельные полупроводниковые устройства. Большинство предлагаемых архитектур зависит от точного порядка и строительных устройств с определенным расположением наноструктур, которые всяческими усилиями связывают с микроструктурами. Напротив, коллектив специалистов из Райс, NCSU, Йельского университета, Университетов Южной Каролины (USC) и Пенсильвании, а также компании Motorola Corp., разрабатывал иную концепцию НаноЯчейки для наноэлектронных сборок. Подход к НаноЯчейкам не зависит от размещения молекул или нанопроводов в определенном положении или в определенном месте. Внутренние части в основном располагаются беспорядочно, и нет необходимости точно размещать какие-либо из элементов переключения. Наноразмерные переключатели добавляются в изобилии, но только небольшая часть необходима для сборки с нужным для переключения направлением. Нанографические перспективы входных, выходных структур в наноячейках становятся значительно менее точными, а нечувствительность к отказам огромна; тем не менее, программирование более перспективно.
В данной работе описывается первый пример, в котором действительно осуществляется сборка НаноЯчейки (Рис. 5). Оказалось, что металлические нанонити являются основным действующим механизмом в этих воплощениях достижений нашего поколения.

 
Рис. 5. Электронная микрофотография НаноЯчейки после сборки золотых нанопроводов и молекулы 1.

На первом изображении показаны пять расположенных относительно друг друга пар изготовленных проводов поперек НаноЯчейки; некоторые нанопровода из золота едва видны на внутреннем прямоугольнике бесконечной пленки золота. Нижнее изображение представляет собой центральную часть НаноЯчейки при более сильном увеличении. Изображение показывает неупорядоченную и дискретную пленку золота с присоединенным золотым нанопроводом, который установлен через OPE-дитиол (не видный), полученный из молекулы 1.
Была изготовлена НаноЯчейка, собранная с неупорядоченным расположением молекул и проводов из золота, которая функционирует через нанонити, образующиеся при испытаниях. НаноЯчейка демонстрирует воспроизводимое поведение переключения и два вида эффектов запоминания: первым является считывание со стиранием, а вторым считывание без стирания. Эта первая демонстрация неупорядоченного сочетания высокоэффективного переключения и запоминания сулит увеличение числа неупорядоченных программируемых схем для расширения функциональных возможностей сложных устройств.
Важным компонентом подхода с использованием НаноЯчеек является понимание и моделирование устройств в их наиболее функциональных состояниях. Инструменты воспроизведения и моделирования для анализа цепей в процессе проектирования и конструирования НаноЯчейки были далее усовершенствованы для использования в другой важной области: молекулярном программировании.

Кван С. Квок,
http://www.nanotoday.com