Наночипы приближаются

24 января компания Hewlett-Packard и Калифорнийский университет UCLA объявили о получении патента США на технологию создания сложных логических микросхем на молекулярном уровне, производство которых, как обещают специалисты, будет простым и недорогим. Цель совместной разработки – развитие молекулярной электроники как принципиально новой технологии, которая в течение следующего десятилетия должна постепенно вытеснить интегральные схемы на основе кремния. Большинство экспертов считают, что примерно в 2012 году технология кремниевых микросхем достигнет физических и экономических пределов своего развития. Патент, полученный Филиппом Кьюкесом (Philip J. Kuekes) и Стенли Уильямсом (R. Stanley Williams) из HP Labs и Джеймсом Хитом (James R. Heath) из университета UCLA, основан на ранее полученных компанией и университетом патентах и результатах научной работы, которая проводилась по гранту агентства U.S. Defense Advanced Research Projects Agency при финансовой поддержке HP.

Современный процесс изготовления микросхем включает многочисленные сверхточные операции формирования сложного рисунка разводки компьютерных микросхем, что увеличивает их стоимость. Изобретение HP и UCLA предлагает использование простой решетки проводников, размеры которых сравнимы с несколькими атомами, соединенными электронными коммутаторами толщиной в одну молекулу.

Ранее HP продемонстрировала в лабораторных условиях, как из некоторых редкоземельных элементов при химическом взаимодействии с кремниевой подложкой формируются наноскопические параллельные проводники. Из двух наборов таких параллельных проводников, перпендикулярно ориентированных относительно друг друга, можно сформировать решетку, похожую на карту Нью-Йорка, где улицы идут с востока на запад, а авеню – с севера на юг.

В другом эксперименте из этой же серии исследователи HP и университета UCLA построили решетку из проводников, имеющих те же размеры, что и проводники в микросхемах современных компьютеров. Ученые «упаковали» эту решетку в слой толщиной в одну молекулу из электрически коммутируемых молекул под названием ротаксаны. Затем при подаче электронного сигнала на молекулы, размещенные между проводниками решетки, открывался простой логический вентиль.

“Эта работа впервые продемонстрировала возможность использования молекул в качестве электронных устройств для логической схемы компьютера”, - заявил г-н Хит, профессор химии университета UCLA и директор Калифорнийского института наносистем.

HP и университет UCLA также совместно запатентовали микросхему памяти на основе молекулярных коммутаторов. Это изобретение было названо журналом Technology Review, издаваемым Массачусетским технологическим институтом, одним из пяти наиболее важных патентов 2000 года.

“Результаты этой работы доказывают, что в будущем программирование может заменить используемые сейчас сложные точные методы производства компьютерных микросхем, - заявил г-н Кьюкес, старший исследователь и системный архитектор HP Labs. – После сборки базовой решетки с помощью программирования можно реализовать очень сложную логическую схему, выставив электронными сигналами нужные коммутаторы в молекулярной структуре”.

Но хотя предыдущие эксперименты привели к созданию простых логических схем, до сих пор было не преодолено основное препятствие, не позволявшее реализовать все преимущества новой технологии и создавать более сложные микросхемы, которые можно было бы использовать на практике.

“Проблема заключалась в том, что в единой большой решетке происходит взаимодействие всех электрических сигналов, - отметил г-н Уильямс, директор по квантовым технологиям HP Labs. – Представьте, что в Манхэттене отключат все светофоры и запретят ездить со скоростью меньше 30 миль в час, – в результате образуется гигантская пробка. “Светофоры”, или сегменты проводниковых цепей (cut wires), регулируют трафик и позволяют перемещать пассажиров или информацию между любыми двумя точками решетки”.

Изобретение, на которое получен патент, предусматривает деление проводниковых цепей на несколько коротких сегментов за счет превращения некоторых “перекрестков” в изоляторы. “Вы просто разделяете город на несколько районов. Внутри каждого района будут маленькие улицы, а большие улицы соединят районы между собой”, - пояснил г-н Уильямс.

Изоляторы получаются при помощи «отсекающих проводников», которые по составу отличаются от других. Разность напряжений на отсекающем и основном проводнике и создает изоляцию.

Управление этими напряжениями и зарядами в прошлом году было запатентовано Уильямсом и Кьюкесом, которые разработали метод интеграции молекулярных устройств в производимые сейчас микросхемы, чьи компоненты примерно в 100 раз больше по размерам. Это управление можно упрощенно представить как специальную технологию демультиплексирования, при котором с помощью химических процессов микросхемы, полученные литографическим способом, соединяются с проводниками размером в несколько нанометров.