Logiske kretser med molekyler som brytere

Pentagon-finansierte forskere fra Hewlett-Packard og UCLA har for første gang framstilt logiske porter gjennom en kjemisk prosess der individuelle molekyler opptrer som brytere for elektrisk strøm.

Kretser som utfører logiske operasjoner som "og", "eller" og "ikke" er grunnlaget for all moderne databehandling. Avanserte mikroprosessorer er ikke annet enn sinnrike kombinasjoner av slike logiske porter. Minnebrikker bygges opp av enheter som lagrer binære data, det vil si som kan innta en av to tilstander, en eller null, av eller på.

I flere tiår har elektronisk logikk vært framstilt gjennom etsing av halvledermaterialer. Prosessen har gitt stadig større tetthet av brytere eller transistorer. Utviklingen har fulgt den såkalte Moores lov, der transistortettheten dobles hver attende måned. Problemet er at etseprosessen støter mot fysiske hindringer. Etter 2010 vil det bli stadig vanskeligere å opprettholde Moores lov. I 2015 kan det bli fysisk umulig.

Følgelig har det amerikanske forsvarsdepartementet stilt fonds til disposisjon gjennom Defense Advanced Research Projects Agency til flere forskergrupper som arbeider med alternative måter å produsere logiske kretser på. En av disse gruppene, med forskere fra laboratoriene til Hewlett-Packard og fra University of California Los Angeles (UCLA), har nylig demonstrert en kjemisk framstilt brikke, der individuelle syntetiske molekyler opptrer som brytere i logiske porter. Gruppen beskrev sin forskning i en artikkel i Science som ble offentliggjort fredag. (Se: C.P. Collier, E.W. Wong, M. Belohradsky, F.J. Raymo, J.F. Stoddart, P.J. Kuekes, R.S. Williams, and J.R. Heath, "Electronically Configurable Molecular-Based Logic Gates," Science, v. 285, No. 5426, p. 391, 16 July 1999.)

Dette er første gang en logisk krets har vært framstilt gjennom en kjemisk prosess, og første gang individuelle molekyler fungerer som brytere.

Arbeidet karakteriseres som banebrytende. Perspektivet er at de fysiske begrensningene for dagens etsede halvledere faller. Samtidig flyttes perspektivene for hvor tett logikken kan bli, og hvor mange "transistorer" man kan få på en bestemt areal.

Teoretisk kan man tenke seg brikker på størrelse med dagens Pentium III, men der ytelsen kan ganges med 100 milliarder.

Brikker langt kraftigere enn dagens Pentium vil kunne framstilles på størrelse med en bakterie. Produksjonskostnadene per brikke kan reduseres med en faktor nesten tilsvarende økningen i tetthet og ytelse. Forestillingene om hva denne "moletronikken" kan føre til, er svimlende. UCLAs kjemiprofessor James Heath som leder arbeidet, peker på muligheten for å samle datakraft tilsvarende 100 kraftige arbeidsstasjoner i et korn salt.

Samtidig understreker forskerne selv at det er langt igjen før moletronikken, også kalt nanoteknologi, kan få noen praktisk kommersiell betydning, minst ti år. Hovedproblemet i dag er at selv om man greier å slå individuelle molekyler "av", har man ennå ikke lykkes i å slå dem "på" igjen. Et annet problem er at ledningene fram til de individuelle molekylene fortsatt er altfor tykke.

En tredje utfordring - at kjemiske prosesser kan ha store feilmarginer - ser man derimot ut til å ha grep om. Man må regne med at kjemiske produserte prosessorer, med der millioner eller milliarder av individuelle molekyler organiseres i logiske kretser, har feil på en eller flere komponenter. I halvlederverdenen må brikker med feil kastes. Her kommer Hewlett-Packards forskning på feiltolerante datamaskiner inn. Siden i fjor har selskapet kjørt en maskin kalt Teramac, som fungerer utmerket med 864 defekte brikker, med til sammen over 220.000 kjente feil. Løsningen er å bygge redundans i koplingene mellom komponentene, og lære maskinen hvordan den skal unngå de defekte områdene. (Se peker til artikkelen "Teramac trives med defekte prosessorer".)

Forskerne som har framstilt den første moletroniske kretsen, har nyttet nettopp denne teknologien.

I sin oppsummering av denne forskningen, understreker Hewlett-Packard fire store fordeler:

  • ingen nedre fysisk grense for hvor små komponentene kan bli
  • milliarder av komponenter kan samles på én brikke (dagens Pentium III har noe over ni millioner komponenter)
  • kjemikaliene som trengs, er forholdsvis rimelige
  • man er ikke avhengig av at hver brikke blir perfekt

Utfordringene er å finne metoder som gjør det enklere å manipulere molekylene og å konstruere også ledningene på kjemisk vis.

Forskerne understreker at en av de første anvendelsene, kan være i hybride kretser som kombinerer moletronikk med tradisjonell halvlederteknologi. En idé kan være å la tradisjonelle prosessorer ta seg av regnearbeidet, mens man legger et ultratynt lag med moletronisk minne rundt dem. Noen få kvadramillimeter skulle være nok til noen hundre terabyte.

Til toppen