В настоящее время весьма популярны идеи химического синтеза вычислительных наноструктур, а также их самосборки. Такие технологии привлекательны тем, что позволяют достичь высокой степени параллелизма, автоматического контроля качества и высокой производительности в таких малых пространственных масштабах, где использование технологий макромира невозможно или неэффективно. Ведутся также исследования в области самовоспроизводства наноструктур. Все это должно осуществляться непосредственно под управлением механизмов нанометрового масштаба в среде, содержащей строительные блоки нанометрового и субнанометрового размера. Но возможна ли самосборка хотя бы в принципе?
Окружающая нас действительность наглядно показывает, что в природе самосборка не только возможна, но и успешно осуществляется в виде более сложного процесса - самовоспроизводства. Достаточно вспомнить о механизме репликации молекул ДНК. В 1952 году к теоретическому описанию процесса самовоспроизводства приступил один из величайших кибернетиков ХХ века Дж. фон Нейман (1903–57). Результаты его работы были опубликованы лишь в 1966 году, уже после смерти автора. Нейман показал, что существует некоторая пороговая сложность автомата, начиная с которой самовоспроизводство возможно. Им также была высказана идея, что, начиная с некоторого более высокого уровня сложности такой процесс возможен с нарастанием сложности создаваемых систем. Нейман построил конкретную математическую модель самовоспроизводящейся структуры на основе клеточного автомата. В основе модели Неймана лежало представление о двумерной регулярной среде элементарных ячеек, обладающих конечным числом состояний и определенной функцией переходов. Современные технологии производства наноустройств еще далеки от практической реализации самовоспроизводства в том виде, как его описал Нейман, однако идея синтеза вычислительной среды в виде двумерного массива элементарных транзисторных ячеек начинает сегодня отчетливо прослеживаться в экспериментальных работах, ведущихся в некоторых крупных исследовательских центрах мира (IBM, Bell Labs и др.).
Успеху данного направления во многом способствует стремление нанокластеров некоторых химических элементов к самоорганизации с образованием регулярных структур. Специалисты из Communications Research Laboratory (Япония), ведущие исследования в этом направлении, прямо заявляют, что целью их разработок является создание клеточного автомата - большой матрицы простых идентичных компонентов нанометрового масштаба, или клеток. Клетки сообщаются с помощью сигналов, передаваемых по цепочке от клетки к клетке. Изготовить такую конструкцию в Японии надеются путем химического синтеза. На завершение работы с использованием отдельных молекул в качестве рабочего элемента японские исследователи отпускают себе двадцать лет.
Схемотехника и архитектура
Примеры первых наиболее успешных экспериментов по массовому производству компонентов электронных схем с применением нанотруб, фуллеренов и других "магических" кластеров показали, что основу вычислительной среды будущего нанокомпьютера будет составлять регулярная, для начала - двухмерная, матрица, образованная нанотранзисторами размером 2-10 нм. При этом молекулярно-кластерными методами можно будет создавать наиболее мелкие элементы схем, требующие высокого пространственного разрешения порядка 0,5-1 нм, недоступного для литографии. В первую очередь - это область регулируемого проводящего канала транзистора. Цепи же переноса сигналов между транзисторными ячейками можно будет создавать литографическими методами с шириной проводящей дорожки 5-20 нм. Такой гибридный способ производства транзисторов уже сейчас позволяет исключить из технологической цепочки сложные операции легирования полупроводника. Плотность упаковки электронных компонентов на чипе будет определяться значением 1000-10000 транзисторов на квадратный микрон.
В силу особых сложностей переноса предельно слабых сигналов на большие расстояния, схемотехника нанокомпьютера будет строиться по блочно-модульному принципу. Базовый блок будет представлять собой макроячейку с элементами памяти на несколько бит, программируемой логической матрицей на входе и интерфейсными элементами входа-выхода. Цепи переноса сигнала между макроячейками будут организованы с использованием принципов приборов с зарядовой связью (charge coupled devices, CCD), а также с использованием спинтронных каналов переноса информации в магнитных полупроводниках. Использование механизма кулоновской блокады позволит передавать сигналы предельно малыми пакетами, вплоть до одноэлектронных. Макроячейки можно собирать далее в матрицы и суперматрицы, создавая таким образом универсальные программируемые вычислительные среды типа современных устройств PLD (programmable logic devices) или FPGA (free programmable gate arrays). Использование спинтронной схемотехники позволит создавать на том же чипе быстродействующую энергонезависимую память сверхвысокой плотности, не стираемую при выключении питания.
Несмотря на то что основные рабочие элементы разрабатываемых нанотранзисторов имеют некремниевую основу, уже имеется проработка технологии их изготовления с системной интеграцией на кремниевой подложке. Использование кремния позволяет наиболее эффективно приспособить технологические возможности современной микроэлектроники для нужд нарождающейся наноэлектроники. В частности, базовый кремниевый кристалл может быть использован для создания интерфейсного обрамления наночипа в стандарте TTL. Темп нынешних работ таков, что к тому времени, когда рынок электроники будет наполнен устройствами мезоэлектроники с разрешением 20–30 нм (примерно через десять лет), должны появиться первые экспериментальные образцы универсальных программируемых молекулярно-кластерных и спинтронных чипов с кремниевым интерфейсным TTL-обрамлением. Все это выглядит вполне реальным, так как базисные логические функции типа ИЛИ-НЕ на основе углеродных нанотрубок уже изготовлены и испытаны.
В свою очередь, на их основе можно будет создавать нанопроцессоры, наночипы памяти и полнофункциональные однокристальные нанокомпьютеры. По своему разнообразию мир нанокомпьютеров будет необычайно широк. Нанокомпьютеры минимального размера в несколько микрон смогут содержать сотни тысяч транзисторов. Однокристальные нанокомпьютерные гиганты с размером кристалла порядка дюйма будут содержать уже триллионы транзисторов. Для обеспечения их работы на предельной частоте порядка 1000 ГГц понадобятся специальные меры по снижению ландауэровского тепловыделения.
В заключение следует упомянуть о радиационной опасности, грозящей нанокомпьютерам со стороны обычных материалов, используемых в электронике. Дело в том, что в числе незначительных примесей, всегда присутствующих даже в самых чистых материалах, есть радиоактивные элементы. Особую опасность представляют альфа-активные изотопы тория. Одна альфа-частица с типовой энергией 1 МэВ даже в условиях обычной микроэлектроники при попадании в кристалл способна освободить из связанного состояния миллионы электронов. Для нанокомпьютера это все равно, что атомная бомба для мегаполиса. Сейчас это явление актуально для чипов памяти типа DRAM. С ним борются, применяя помехоустойчивое кодирование.
Основное внимание мы уделили современному состоянию и перспективам развития электронных нанокомпьютеров. История развития физических основ таких приборов насчитывает уже много лет, непосредственно продолжая историю микроэлектронных приборов. Поэтому они оказываются лидерами в области нанокомпьютеростроения. Вместе с тем в последние несколько лет получили интересное развитие и другие подходы, в частности, молекулярно-механические.