Мини… Микро… Дальше некуда? Прорывы чаще всего удаются на стыках. Это утверждение, по словам директора НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета, академика В.И. Минкина, верно не только для военных действий, но и для научных исследований. Вот о каком удивительном прорыве, осуществленном совместными усилиями микроэлектронщиков, химиков, вирусологов и молекулярных биологов он рассказал недавно своим коллегам на очередном заседании президиума Российской академии наук.

Поначалу компьютеры были электромеханическими машинами, работавшими при помощи шестеренок и реле. Затем стали ламповыми, потом транзисторными. Наконец, на смену отдельным транзисторам пришли интегральные микросхемы. Причем на микропроцессорном чипе современного компьютера уже располагается до 100 млн транзисторов. И намного больше разместить уже вряд ли удастся.

Ело в том, что современные технологии производства интегральных микросхем достигли своего пика. Само формирование интегральной схемы с меньшими размерами транзисторов невозможно на базе стандартной техники фотолитографии, применяемой сегодня.

Для того чтобы вытравить на кремниевой пластине нужные участки, на нее предварительно наносят с помощью фототрафарета определенный рисунок. А четкость его возможна лишь в том случае, если проецирование осуществляется излучением, длина волны которого по крайней мере вдвое меньше, чем длина самого элемента. Поэтому от видимого света технологии перешли уже к куда более коротковолновому жесткому ультрафиолетовому излучению. И дальше двигаться, похоже, некуда.

Мы приближаемся к физическому пределу – толщина изолирующей пленки в микрочипе должна быть не более 4–5 молекул (1,5–2 нм). В более тонких слоях начинаются неконтролируемые процессы туннелирования электронов (то есть «проскакивания» их прямо сквозь структуру микрокристалла), а также перегрева, которые нарушают работу транзисторов и вычислительной системы в целом.

Между тем производительность компьютера при прочих равных условиях пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы. Так что же делать?

Молекулярные манипуляции. Один из выходов подсказал еще в 1959 году известный американский физик-теоретик Ричард Фейнман. Он решил, что молекулы, обладающие определенными свойствами, смогут заменить собой транзисторы, а технический прогресс сделает возможным и манипуляции с отдельными атомами и молекулами.

Размеры такого молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Поскольку, как мы уже говорили, производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов, размещаемых на единице площади, то выигрыш в производительности будет огромным. Так, по расчетам, эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 млрд раз выше, чем современного кремниевого.

Конечно, одно дело – высказать теоретическое предположение, и совсем другое – осуществить его практически. Тем не менее, похоже, предсказание Фейнмана начинает сбываться в наши дни.

Итак, что же такое молекулярный компьютер? Это устройство, в котором вместо кремниевых микрочипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. Иными словами, в основе новой технологии лежат так называемые «интеллектуальные молекулы»; они могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т. д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы – это некая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

Кроме того, устройство или архитектура каждого компьютера включает в себя также соединяющие провода и память. И эти элементы в молекулярных компьютерах будут отличаться от их аналогов в нынешних вычислительных устройствах. Память может работать на принципе «запоминания» оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряженные полимеры.

Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех основных составляющих компьютера будущего. Например, весьма перспективен молекулярный переключатель, созданный Д. Стоддардом и Д. Хисом, которые сотрудничают с американской фирмой «Хьюлетт Паккард». Существуют также прототипы транзисторов на одной молекуле, которые изучают в Корнеллском и Гарвардском университетах.

А первые устройства молекулярной памяти на основе так называемых фотохромных систем были созданы П. Рентцеписом из Калифорнийского университета еще в конце 80-х годов XX века. Поглотив один-два фотона, такая молекула переходит из одной устойчивой формы в другую, как бы запоминая бит информации.

Аналогичные устройства созданы и в других исследовательских центрах, в том числе и в НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета.

А пусть они сами растут! Таким образом, в наличии имеются уже все три составные части будущего молекулярного компьютера, и в их создании по отдельности, как мы видим, есть значительные успехи. Но самая сложная задача – собрать все компоненты в работающее устройство. До ее решения еще далеко. Иные скептики даже засомневались было в реальности осуществления подобных планов. Вон, дескать, сколько сложностей мы имеем при производстве современных микрочипов. Так на сколько же порядков возрастут производственные трудности при производстве молекулярных компьютеров?..

Однако энтузиасты молекулярной электроники (или молетроники) настолько полны оптимизма, что даже намерены пустить все производство на самотек. Пусть, дескать, молекулярные микрочипы сами себя собирают…

Но как такое может быть? Да примерно так же, как ныне природа ведет сборку таких сложных структур, как двойная спираль ДНК, отдельных органов, а то и целых организмов. Надо просто перенять у природы ее технологические навыки и… выращивать нужные нам устройства.

Причем помогут технологам XXI века, как это ни странно звучит, некоторые… вирусы растений! Дело в том, что вирусы очень малы – их диаметры составляют всего 30 нанометров. Это значительно меньше размеров компонентов современных интегральных схем, которые достигают около 130 нанометров.

Кроме того, вирусы по своему строению представляют собой, по существу, идеальный каркас для микроскопических электронных систем, поскольку их можно сгруппировать в некое подобие кристаллических решеток. И создать самоорганизующие цепи, способные при минимальном постороннем вмешательстве либо при полном его отсутствии самостоятельно выстраивать полезные трехмерные структуры. А в них – разместить компоненты микросхем.

Причем поскольку вирусы – изрядные проныры, способные встраиваться практически в любой живой организм, то ученые рассчитывают найти способ сделать так, чтобы молекулярные микросхемы выстраивались в нужном порядке сами собой, встраиваясь, например, в организм какого-нибудь растения, сообщает журнал «Нью сайянтист».

Так, для того, чтобы изготовить живой трехмерный микрочип, химик М. Финн и вирусолог Дж. Джонсон из Исследовательского института Скриппса в городе Ла-Джолла, штат Калифорния, экспериментировали с вирусом мозаики коровьего гороха – микроорганизмом, который обычно задерживает нормальный рост побегов.

Обычно вирус заключен в защитную протеиновую оболочку, имеющую 20 граней и 12 углов, или вершин. Исследователи стали внедрять сегменты ДНК в цепочку генов вируса, вынуждая его производить аминокислоты цистеина на вершинах оболочки. А затем добавили сверхтонкие частицы золота в наполненные цистеином вирусы. В итоге у них получился некий микроорганизм, утыканный золотыми электродами – прообраз будущей микросхемы.

Ныне совместно с сотрудниками Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне, округ Колумбия, они пытаются научиться замыкать цепи в определенном порядке, чтобы получать по желанию те или иные логические устройства, элементы памяти и т. д.

«Если эксперименты увенчаются успехом, микросхемы будущего станут производить на грядках, а не в высокотехнологичных лабораториях, – полагает Финн. – Получить требуемое количество вирусов не составит никакого труда. Достаточно засеять несколько гектаров земли горохом, а затем выделить микроорганизмы из листьев растения»…