Я уверен, что мы стоим на пороге новой революции в электронных технологиях. Революции, аналогичной той, которая произошла с изобретением микрочипа. А обеспечат её принципиально новые материалы, которые будут использоваться в микроэлектронике. Давайте же посмотрим, каких успехов добилось мировое материаловедение.

Сверхтонкие наносхемы

Инженеры IBM создали сверхтонкую наносхему, которая в 10 тысяч раз тоньше бумажного листа. Она представляет собой срез силиконовых пластин, помещенных на пластиковую основу. Получилась вполне работоспособная схема, которую при этом можно многократно сложить или согнуть и поместить практически в любое устройство. Кроме того, наносхема IBM позволяет значительно увеличить мощность устройства без увеличения расхода энергии.

Тонкие гибкие наносхемы настолько легкие, что позволяют скомпоновать большое их количество для обеспечения ранее недостижимой вычислительной мощности. Специалисты IBM представили тончайшую схему, на которую они смогли поместить 10 млрд транзисторов, но при этом она потребляет всего 0,6 вольт.

В IBM утверждают, что крошечная гибкая наносхема - это только одна из ряда их разработок. Технология контролируемого расслаивания, которая использовалась для ее создания, может быть применена и для других комплектующих, таких как твердотельные источники света. Заменив малоэффективную сапфировую подложку, эта технология позволяет радикально уменьшить светодиоды, сделав их более экологически чистыми.

Биологический транзистор

Исследователи из Стэнфордского университета представили широкой публике разработанный ими биологический транзистор, который сами молекулярные биологи называют "транскриптор". Он построен из генетического материала - молекул ДНК и РНК.

Биологический транзистор (генетическая логическая схема) действует внутри живой клетки и способен изменять свое состояние под действием внешнего стимула. Если в "классической" электронике транзистор управляет потоком электронов, то его генетический аналог - потоком РНК-полимераз вдоль ДНК. Именно этот процесс является полезным выходным сигналом генетического транзистора.

Для управления таким транзистором ученые использовали группу натуральных белков - интеграз, которые способны возобновлять или прерывать процесс синтеза молекулы РНК. Из нескольких транскрипторов удалось создать набор примитивных логических вентилей: "И", "И-НЕ", "ИЛИ" и других. Конечно, такие логические блоки не могут претендовать на выполнение всех функций компьютера. Однако это уже готовый набор ключевых компонентов биокомпьютера внутри живой клетки.

В одном из экспериментов каскад таких транскрипторов позволил исследователям усилить работу генов, вызывающих флуоресценцию клеток. Именно по светимости различных клеток ученые в процессе эксперимента понимали, какие из них правильно отрабатывали заложенную логическую схему.

ДНК как носитель данных

Биологическую электронику можно смело назвать одним из главных трендов в современной науке. Британские ученые (да, те самые) разработали способ хранения данных в ДНК. Разработанная технология позволяет в одной пробирке с ДНК сохранять не менее 100 млн. часов видео в высоком разрешении.

До самых недавних чтение ДНК (секвенирование) оставалось достаточно простым процессом. А вот запись информации в молекулы ДНК с технологической точки зрения была вообще нереальной - сложнейший процесс синтеза ДНК in vivo (в живом организме) было невозможно воспроизвести in vitro ("в пробирке").

Проблему записи данных в молекулу ДНК смогли решить Ник Голдман и Эван Бирни из Европейского института биоинформатики. "Мы разбили код на множество перекрывающихся в обоих направлениях фрагментов с шифрованием информации и сделали схему кодирования, которая позволяет избежать повторений четырех нуклеотидов", - рассказал журналистам Эван Бирни.

В своем эксперименте исследователи взяли для записи в молекулу ДНК данные разных типов: PDF-файл с книгой "Молекулярная структура нуклеиновых кислот" первооткрывателей роли ДНК Уотсона и Крика, сонеты Шекспира (текстовый файл), знаменитую речь Мартина Лютера Кинга (файл MP3) и фотографию здания Европейского института биоинформатики (JPG).

Далее они закодировали эти данные по специально разработанной модели шифрования в виде последовательности ДНК. Код был передан в американскую компанию Agilent Technologies, где на основе кода была синтезирована непосредственно молекула ДНК со строгой последовательностью нуклеиновых кислот. Ее прислали обратно в Европейский институт биоинформатики, где Ник Голдман и Эван Бирни на ДНК-секвенаторе "прочитали" ДНК и определили, что все файлы восстанавливаются без ошибок. То есть, довольно большой объем информации был успешно и закодирован, и раскодирован всего в одной молекуле, хоть и очень большой.

Жидкие нанотранзисторы от IBM

И снова IBM - несмотря на все потрясения, эта корпорация неизменно остается на переднем крае науки. Ученые лаборатории IBM Almaden Research Lab в Сан-Хосе представили новый способ хранения информации - в жидких нанотранзисторах. В рамках эксперимента исследователи испытали материал, состоящий из наноканалов, заполненных электролитом. Когда на такой материал воздействует электрический ток, в нем образуется слой ионов, который меняет свойства проводимости материалов.

Причем этот процесс обратим. Соответственно, воздействуя на данный материал электричеством, его можно переводить из состояния проводимости в состояние отсутствия проводимости и обратно, записывая, таким образом, единицу или ноль. Преимущество таких жидких нанотранзисторов еще и в том, что они не нуждаются в постоянном воздействии электричества для сохранения текущего состояния.

"В отличие от сегодняшних транзисторов, новый материал можно переключать в состояние "включен" или "выключен" навсегда, без необходимости поддерживать состояние. Со временем данное свойство может привести к созданию новых более эффективных логических устройств и компьютерной памяти. Жидкие нанотранзисторы позволяют строить электронные схемы, которые можно перепрограммировать. Это открывает более широкие возможности по сравнению с современными процессорами, конфигурацию электрических каналов в которых изменить нельзя", - говорит Стюарт Паркин, почетный сотрудник IBM Research.

Пока главная проблема новой технологии состоит в том, что переход жидких нанотранзистров из одного состояния в другое происходит на один-два порядка медленнее по сравнению со скоростью работы современных микросхем. Чтобы решить эту проблему, инженерам потребуется уменьшить размеры транзисторов и расположить их более плотно друг к другу. В результате их можно будет использовать при создании мощных вычислительных систем с очень низким потреблением энергии.

Память на эффекте антиферромагнетизма

И снова про новые технологии компьютерной памяти. Американские и немецкие физики в рамках совместного проекта (IBM Research Group и немецкого Центра лазеров на свободных электронах - CFEL) создали магнитную ячейку размером всего в 12 атомов, использовав феномен антиферромагнетизма. Эту ячейку им удалось использовать для записи и считывания информации в объеме одного бита - базовой единицы информации. Для записи минимально адресуемого набора данных - одного байта - было использовано восемь таких ячеек, или 96 атомов. Для сравнения, на запись одного байта современные HDD используют около 500 млн атомов.

Для создания самой маленькой ячейки памяти из существующих был использован сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) размещенный в уже упоминавшемся IBM Almaden Research Lab в Сан-Хосе. Для создания экспериментальной ячейки к образцу на расстояние несколько ангстрем подводилась тончайшая металлическая игла (зонд). При подаче на иглу небольшого электрического потенциала носители заряда проникают через тонкую оксидную пленку, отделяющую токопроводящий образец от острия, и между зондом и образцом возникает туннельный ток. Регистрируя его изменения, можно считывать рельеф поверхности с разрешением вплоть до отдельных атомов.

Соответственно, такой зонд СТМ, позволяющий как регистрировать, так и изменять магнитные свойства проводника на уровне узлов кристаллической решетки, был использован в качестве считывающего и записывающего устройства. В качестве носителя информации были использованы атомы железа, сгруппированные на подложке из нитрида меди в двухрядные блоки по шесть атомов в каждом ряду. Восемь таких блоков (однобайтный домен) занимают площадь 4х16 нм - это в сотни раз меньше, чем байтные блоки на поверхности современных жестких дисков.

Но главная инновация в данной технологии - это все же практическое использование феномена антиферромагнетизма. В антиферромагнетиках магнитные моменты отдельных частиц ориентированы не параллельно в одном направлении, а навстречу друг другу. Это, собственно, и позволило уменьшить размер отдельного намагниченного участка до рекордных 12 атомов, не опасаясь за магнитное взаимодействие с соседними атомами внутри проводника. Внутри классических ферромагнетиков, используемых в жестких дисках, размер минимально устойчивого магнитного пятна составляет уже несколько сотен миллионов атомов, и его дальнейшее уменьшение невозможно, так как вероятность распадения домена возрастает экспоненциально.

Уже можно сказать, что исследовательская американо-немецкая группа опытным путем установила предельный минимальный размер электромагнитного устройства памяти, работа которого еще описывается законами классической электродинамики. Далее уменьшать размер ячейки памяти, оставаясь в пределах классической теории электромагнетизма уже невозможно - в действие вступают квантовые эффекты, "размывающие" хранимую в ячейках информацию.

Виктор ДЕМИДОВ