Основные компоненты Основные компоненты молекулярного компьютера должны быть теми же, что и у обычного компьютера : Основные компоненты молекулярного компьютера. - презентация

1 Основные компоненты Основные компоненты молекулярного компьютера должны быть теми же, что и у обычного компьютера : Основные компоненты молекулярного компьютера должны быть теми же, что и у обычного компьютера : Система ввода информации Система ввода информации Вычислительный блок (процессор) Вычислительный блок (процессор) Система хранения информации (память) Система хранения информации (память) Система вывода информации. Система вывода информации. Провода и блок питания. Провода и блок питания. Важной особенностью является то, что на одном и том же принципе может быть получены разные компоненты (память, процессор, провода). Важной особенностью является то, что на одном и том же принципе может быть получены разные компоненты (память, процессор, провода). Переключатели будут управляться световыми и электрическими импульсами или электрохимическими реакциями. Память может работать на принципе запоминания оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряжённые полимеры. Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех основных составляющих компьютера будущего. Переключатели будут управляться световыми и электрическими импульсами или электрохимическими реакциями. Память может работать на принципе запоминания оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряжённые полимеры. Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех основных составляющих компьютера будущего. Основные технологии

2 Молекулярный переключатель Большого успеха достигли учёные компании Hewlett-Packard в работе с молекулами псевдоротоксана. Им удалось насадить такую молекулу, имеющую форму кольца, на ось – линейную молекулу. Большого успеха достигли учёные компании Hewlett-Packard в работе с молекулами псевдоротоксана. Им удалось насадить такую молекулу, имеющую форму кольца, на ось – линейную молекулу. Для того чтобы кольцо не соскакивало с оси, к ее концам присоединяются крупные молекулярные фрагменты, играющие роль "гаек" (в этом качестве использовались разнообразные донорные группы). При реакции с кислотой (Н+) или основанием (В) кольцо может скользить от одного конца оси к другому, "переключая" химическое состояние. Для того чтобы кольцо не соскакивало с оси, к ее концам присоединяются крупные молекулярные фрагменты, играющие роль "гаек" (в этом качестве использовались разнообразные донорные группы). При реакции с кислотой (Н+) или основанием (В) кольцо может скользить от одного конца оси к другому, "переключая" химическое состояние. В принципе на молекулярном уровне воссоздается механическое устройство, весьма похожее на соединение стержней и колесиков в первых, самых примитивных, вычислительных устройствах ХVII века. В принципе на молекулярном уровне воссоздается механическое устройство, весьма похожее на соединение стержней и колесиков в первых, самых примитивных, вычислительных устройствах ХVII века. Эта изящная химическая молекула переключатель была изучена еще в начале 90-х годов, однако для практической реализации идеи требовалось еще придумать методы объединения и управления массивами этих минимикродиодиков. Создав моно слой одинаково ориентированных молекул такого типа на поверхности металла (эту очень сложную задачу удалось решить, используя новейшие нанотехнологические методы самосборки), ученые осадили на него тончайший слой золота и уже создали на этой основе примитивные прототипы логических вентилей. Эта изящная химическая молекула переключатель была изучена еще в начале 90-х годов, однако для практической реализации идеи требовалось еще придумать методы объединения и управления массивами этих минимикродиодиков. Создав моно слой одинаково ориентированных молекул такого типа на поверхности металла (эту очень сложную задачу удалось решить, используя новейшие нанотехнологические методы самосборки), ученые осадили на него тончайший слой золота и уже создали на этой основе примитивные прототипы логических вентилей. Основные технологии

3 Молекулярный переключатель Наиболее эффективные молекулярные переключатели основаны на фотохромных соединениях, которые изомеризуются при переходе в высшие возбуждённые электронные состояния. После переключения кардинально перестраивается электронная конфигурация системы, а её геометрия остаётся практически прежней. Наиболее эффективные молекулярные переключатели основаны на фотохромных соединениях, которые изомеризуются при переходе в высшие возбуждённые электронные состояния. После переключения кардинально перестраивается электронная конфигурация системы, а её геометрия остаётся практически прежней. Монослой молекул катена на помещают между металлическим и кремниевым электродами. После электрохимического окисления супрамолекулы на одной из её частей появляется дополнительный положительный заряд. Поскольку в исходной форме эта часть соседствует с одноимённым зарядом, то после окисления плюсы отталкиваются и молекула перегруппировывается. Образуется вторая стабильная форма, и меняется электрическое сопротивление. Переключение происходит при воздействии электрического поля (+2 В; – 2 В), а считывание измерением сопротивления (0,1 В). Главное достоинство такого переключателя его исключительно высокая устойчивость. Цикл окисления-восстановления катена на можно совершать 10–20 тысяч раз без заметного разрушения супрамолекулярной системы. Монослой молекул катена на помещают между металлическим и кремниевым электродами. После электрохимического окисления супрамолекулы на одной из её частей появляется дополнительный положительный заряд. Поскольку в исходной форме эта часть соседствует с одноимённым зарядом, то после окисления плюсы отталкиваются и молекула перегруппировывается. Образуется вторая стабильная форма, и меняется электрическое сопротивление. Переключение происходит при воздействии электрического поля (+2 В; – 2 В), а считывание измерением сопротивления (0,1 В). Главное достоинство такого переключателя его исключительно высокая устойчивость. Цикл окисления-восстановления катена на можно совершать 10–20 тысяч раз без заметного разрушения супрамолекулярной системы. Основные технологии

4 Молекулярная память Чтобы записать информацию в объёме образца или, по крайней мере, на нескольких его слоях, нужна новая система записи. Для этого используют метод двухфотонного поглощения. Чтобы записать информацию в объёме образца или, по крайней мере, на нескольких его слоях, нужна новая система записи. Для этого используют метод двухфотонного поглощения. Суть метода в том, что необходимая для записи энергия (hv) доставляется двумя фокусируемыми в нужной точке лазерными пучками с частотами v1 и v2, подобранными так, чтобы hv = hv1 + hv2. Суть метода в том, что необходимая для записи энергия (hv) доставляется двумя фокусируемыми в нужной точке лазерными пучками с частотами v1 и v2, подобранными так, чтобы hv = hv1 + hv2. Впервые принципиальную возможность такой схемы показал П. Рентцепис (Калифорнийский университет) в конце 80-х годов XX века. Он использовал для этого, в частности, фотохромную спиропирановую систему. Поглотив два фотона, молекула А перегруппируется в окрашенную мероцианиновую форму В. Впервые принципиальную возможность такой схемы показал П. Рентцепис (Калифорнийский университет) в конце 80-х годов XX века. Он использовал для этого, в частности, фотохромную спиропирановую систему. Поглотив два фотона, молекула А перегруппируется в окрашенную мероцианиновую форму В. Считывание записанной таким образом информации происходит при регистрации флуоресценции молекулы В, также возбуждаемой двухквантовым переходом. Считывание записанной таким образом информации происходит при регистрации флуоресценции молекулы В, также возбуждаемой двухквантовым переходом. Флуоресценция не единственный, но в силу особенно высокой чувствительности наиболее привлекательный метод считывания записанной информации. Флуоресценция не единственный, но в силу особенно высокой чувствительности наиболее привлекательный метод считывания записанной информации. Основные технологии

5 Молекулярная память Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде создали молекулу, способную передвигаться по ровной поверхности строго по прямой линии. Почти как человек. Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде создали молекулу, способную передвигаться по ровной поверхности строго по прямой линии. Почти как человек. Разработанная группой профессора Людвига Бартелса молекула "9,10-dithioanthracene" (DTA) копирует манеру передвижения человека, поочередно выбрасывая вперед правую и левую «ножки». Благодаря наличию такого «привода», молекула может передвигаться по любой ровной поверхности. В частности, по медному листу. По мнению авторов разработки, такие «ходячие молекулы» могут быть использованы для создания новых молекулярных средств хранения данных чрезвычайно большой емкости. Разработанная группой профессора Людвига Бартелса молекула "9,10-dithioanthracene" (DTA) копирует манеру передвижения человека, поочередно выбрасывая вперед правую и левую «ножки». Благодаря наличию такого «привода», молекула может передвигаться по любой ровной поверхности. В частности, по медному листу. По мнению авторов разработки, такие «ходячие молекулы» могут быть использованы для создания новых молекулярных средств хранения данных чрезвычайно большой емкости. Молекула, разумеется, ходит не сама по себе: чтобы она сделала шаг, ее нужно нагреть. В этом случае одна из ее «ножек» поднимается, перемещается вперед и опускается. Вторая «ножка» остается неподвижной, фиксируя молекулу на воображаемой прямой. Благодаря такому подходу, молекула способна самостоятельно передвигаться по прямой, без использования каких-либо направляющих. В ходе лабораторных тестов, сообщает Бартелс, молекула сделала свыше шагов, ни разу не выйдя из равновесия. Молекула, разумеется, ходит не сама по себе: чтобы она сделала шаг, ее нужно нагреть. В этом случае одна из ее «ножек» поднимается, перемещается вперед и опускается. Вторая «ножка» остается неподвижной, фиксируя молекулу на воображаемой прямой. Благодаря такому подходу, молекула способна самостоятельно передвигаться по прямой, без использования каких-либо направляющих. В ходе лабораторных тестов, сообщает Бартелс, молекула сделала свыше шагов, ни разу не выйдя из равновесия. В соответствии с этой концепцией кодирование информации предполагалось осуществлять, изменяя положение выстроенных в ряд молекул, перемещая их по матрице, словно костяшки счет. В соответствии с этой концепцией кодирование информации предполагалось осуществлять, изменяя положение выстроенных в ряд молекул, перемещая их по матрице, словно костяшки счет. Теоретически, созданная с использованием DTA молекулярная память может хранить на квадратном дюйме в 1000 раз больше информации, чем позволяют современные технологии изготовления запоминающих устройств. Теоретически, созданная с использованием DTA молекулярная память может хранить на квадратном дюйме в 1000 раз больше информации, чем позволяют современные технологии изготовления запоминающих устройств. Основные технологии

6 Молекулярная память Объединенная группа Марка Рида и Джеймса Тура (из университетов Йеля и Райса) продемонстрировала общественности еще один класс молекул-переключателей. Как написал один из авторов: "Мы создали молекулу с переменной электропроводностью, которая может накапливать электроны по нашей команде, то есть работать как запоминающее устройство". Объединенная группа Марка Рида и Джеймса Тура (из университетов Йеля и Райса) продемонстрировала общественности еще один класс молекул-переключателей. Как написал один из авторов: "Мы создали молекулу с переменной электропроводностью, которая может накапливать электроны по нашей команде, то есть работать как запоминающее устройство". Джеймс Тур по специальной методике синтезировал молекулярную цепочку из звеньев бензол-1,4-дитиолата длиной 14 нанометров. В нее были введены группы, которые захватывают электроны, если молекула находится "под напряжением". Джеймс Тур по специальной методике синтезировал молекулярную цепочку из звеньев бензол-1,4-дитиолата длиной 14 нанометров. В нее были введены группы, которые захватывают электроны, если молекула находится "под напряжением". Сложнейшая проблема заключалась в том, что переключение должно быть обратимым химическим процессом. Для работы молекулы в качестве запоминающего элемента ее необходимо научить не просто захватывать электроны, а удерживать их только в течение заданного времени. Именно в этом и состоит главное достижение Рида и Тура с коллегами. Сложнейшая проблема заключалась в том, что переключение должно быть обратимым химическим процессом. Для работы молекулы в качестве запоминающего элемента ее необходимо научить не просто захватывать электроны, а удерживать их только в течение заданного времени. Именно в этом и состоит главное достижение Рида и Тура с коллегами. Электрохимический переключатель представляет собой цепочку из трех бензольных колец, к центральному из которых с противоположных сторон присоединены группы NО2, и NН2, (на рисунке выделены цветом). Такая асимметричная молекулярная конфигурация создает электронное облако сложной формы, в результате чего возникает физический эффект – при наложении поля молекула закручивается, ее сопротивление меняется, и она начинает пропускать ток (правая часть рисунка). При снятии поля молекула раскручивается в обратную сторону и возвращается в исходное состояние. Переключатель, созданный по этому принципу, представляет собой линейную цепочку из примерно 1000 молекул нитроаминобензолтиола, расположенную между двумя металлическими контактами Электрохимический переключатель представляет собой цепочку из трех бензольных колец, к центральному из которых с противоположных сторон присоединены группы NО2, и NН2, (на рисунке выделены цветом). Такая асимметричная молекулярная конфигурация создает электронное облако сложной формы, в результате чего возникает физический эффект – при наложении поля молекула закручивается, ее сопротивление меняется, и она начинает пропускать ток (правая часть рисунка). При снятии поля молекула раскручивается в обратную сторону и возвращается в исходное состояние. Переключатель, созданный по этому принципу, представляет собой линейную цепочку из примерно 1000 молекул нитроаминобензолтиола, расположенную между двумя металлическими контактами Основные технологии

7 Молекулярная вольт-амперная характеристика Замеры с использованием туннельного микроскопирования (фрагмент молекулярной цепочки был впаян между сверхтонкими иглообразными золотыми электродами) позволили получить рабочие параметры переключателя, которые с полным правом можно назвать молекулярной вольт-амперной характеристикой и молекулярной проводимостью. Замеры с использованием туннельного микроскопирования (фрагмент молекулярной цепочки был впаян между сверхтонкими иглообразными золотыми электродами) позволили получить рабочие параметры переключателя, которые с полным правом можно назвать молекулярной вольт-амперной характеристикой и молекулярной проводимостью. Кривая проводимости имеет четко выраженный "провал". Это позволяет переводить участки молекулы из проводящего состояния в непроводящее, и наоборот, простым изменением приложенного напряжения. Кривая проводимости имеет четко выраженный "провал". Это позволяет переводить участки молекулы из проводящего состояния в непроводящее, и наоборот, простым изменением приложенного напряжения. Формально и фактически получен молекулярный триод. Действительно, это можно считать первым этапом создания молекулярной электроники. Формально и фактически получен молекулярный триод. Действительно, это можно считать первым этапом создания молекулярной электроники. Основные технологии

8 Молекулярные провода Один из видов проводников различные органические проводники, которые обладают достаточно высокой проводимостью, до с/м. Все они представляют собой длинные сопряжённые молекулы, в которых электрон переносится по цепи π-связей. Один из видов проводников различные органические проводники, которые обладают достаточно высокой проводимостью, до с/м. Все они представляют собой длинные сопряжённые молекулы, в которых электрон переносится по цепи π-связей. Если к концам такой сопряжённой цепи присоединить металлсодержащие группы, то окисление или восстановление одной из них обеспечит достаточную проводимость по всей цепи. Комбинируя допированные (проводящие) и недопированные (со свойствами изоляторов или полупроводников) участки полимеров, можно получать электрические контуры с нужными свойствами. Если к концам такой сопряжённой цепи присоединить металлсодержащие группы, то окисление или восстановление одной из них обеспечит достаточную проводимость по всей цепи. Комбинируя допированные (проводящие) и недопированные (со свойствами изоляторов или полупроводников) участки полимеров, можно получать электрические контуры с нужными свойствами. Основные технологии

9 Молекулярные провода Нанотрубки Нанотрубки Это великолепный материал для молекулярной электроники. Нанотрубки с однослойными или многослойными стенками получаются при прохождении электрического разряда между двумя графитовыми электродами. Длина одностенных нанотрубок может достигать микрометров (диаметр около 1 нм), причём на отрезках по 150 нм сохраняются металлические свойства. Углеродные или боразотные нанотрубки можно заполнять металлами и получать таким образом одномерные проводники, состоящие из цепочек атомов металлов. С одностенными нанотрубками удается сделать ещё более интересные вещи. Это великолепный материал для молекулярной электроники. Нанотрубки с однослойными или многослойными стенками получаются при прохождении электрического разряда между двумя графитовыми электродами. Длина одностенных нанотрубок может достигать микрометров (диаметр около 1 нм), причём на отрезках по 150 нм сохраняются металлические свойства. Углеродные или боразотные нанотрубки можно заполнять металлами и получать таким образом одномерные проводники, состоящие из цепочек атомов металлов. С одностенными нанотрубками удается сделать ещё более интересные вещи. Транзистор на одной молекуле. Бакибол (60 ат. углерода) удерживается между электродами электрическими силами. Как только электрон запрыгивает внутрь бакибола, происходит смещение электрических сил и молекула смещается к одному из электродов и сопротивление меняется. Электрон выпрыгивает бакибол смещается в исходное положение Транзистор на одной молекуле. Бакибол (60 ат. углерода) удерживается между электродами электрическими силами. Как только электрон запрыгивает внутрь бакибола, происходит смещение электрических сил и молекула смещается к одному из электродов и сопротивление меняется. Электрон выпрыгивает бакибол смещается в исходное положение При помощи атомно-силового микроскопа, скручивая однослойную нанотрубку, удалось получить участки, на которых сопротивление достигает 50 к Ом, в результате чего образуется барьер для движения электрона. При определённом напряжении можно переключать состояния одностенной нанотрубки: проводимоенепроводимое, перемещая один-единственный электрон. Фактически это прототип транзистора на одном электроне. Существует также прототип транзистора на одной молекуле, который изучают в Корнельском и Гарвардском университетах. При помощи атомно-силового микроскопа, скручивая однослойную нанотрубку, удалось получить участки, на которых сопротивление достигает 50 к Ом, в результате чего образуется барьер для движения электрона. При определённом напряжении можно переключать состояния одностенной нанотрубки: проводимоенепроводимое, перемещая один-единственный электрон. Фактически это прототип транзистора на одном электроне. Существует также прототип транзистора на одной молекуле, который изучают в Корнельском и Гарвардском университетах. Основные технологии

10 Устройства ввода Устройства ввода информации пользователем в молекулярный компьютер в принципе могут остаться теми же, что и в настоящее время (клавиатура, мышь, входные порты и т.д.) Однако, поскольку процессы хранения и переработки информации в молекулярной электронике носят специфический характер (отдельные части одного и того же компьютера могут работать с информацией, представленной в разных формах - электрической, оптической, химической и др.), встает проблема сопряжения вычислительных блоков между собой, а также с внешними электронными устройствами. То есть необходимо иметь преобразователи сигнала из одной формы в другую. Устройства ввода информации пользователем в молекулярный компьютер в принципе могут остаться теми же, что и в настоящее время (клавиатура, мышь, входные порты и т.д.) Однако, поскольку процессы хранения и переработки информации в молекулярной электронике носят специфический характер (отдельные части одного и того же компьютера могут работать с информацией, представленной в разных формах - электрической, оптической, химической и др.), встает проблема сопряжения вычислительных блоков между собой, а также с внешними электронными устройствами. То есть необходимо иметь преобразователи сигнала из одной формы в другую. Для построения химических (газовых) сенсоров уже давно используются преобразователи сигнала из химической формы в электрическую и обратно. Для построения химических (газовых) сенсоров уже давно используются преобразователи сигнала из химической формы в электрическую и обратно. Что касается преобразования электрических сигналов в оптические, то для этого подходят молекулярные аналоги светодиодов и лазеров, в которых используются светоизлучающие молекулы (хромафоры). Что касается преобразования электрических сигналов в оптические, то для этого подходят молекулярные аналоги светодиодов и лазеров, в которых используются светоизлучающие молекулы (хромафоры). Недавно появилось сообщение японских ученых о создании светоизлучающего устройства, состоящего из одной органической молекулы дендромера. Недавно появилось сообщение японских ученых о создании светоизлучающего устройства, состоящего из одной органической молекулы дендромера. Основные технологии

11 Устройства вывода Для вывода информации можно использовать существующие устройства и преобразователи сигналов. Для вывода информации можно использовать существующие устройства и преобразователи сигналов. Вместе с тем, молекулярная электроника предлагает свои пути решения этой проблемы. Например, разрабатываются молекулярные устройства, на основе которых могут быть созданы сверхтонкие жидкокристаллические мониторы. Для этого под массой жидких кристаллов наносится тонкая органическая пленка, обладающая ориентирующим эффектом. На каждую молекулу пленки поступает сигнал из компьютера, меняющий ее конформацию и соответственно ориентацию нанесенного сверху слоя жидких кристаллов, а также его отражательные свойства. Таким образом, полученная структура может служить для вывода информации на экран. Вместе с тем, молекулярная электроника предлагает свои пути решения этой проблемы. Например, разрабатываются молекулярные устройства, на основе которых могут быть созданы сверхтонкие жидкокристаллические мониторы. Для этого под массой жидких кристаллов наносится тонкая органическая пленка, обладающая ориентирующим эффектом. На каждую молекулу пленки поступает сигнал из компьютера, меняющий ее конформацию и соответственно ориентацию нанесенного сверху слоя жидких кристаллов, а также его отражательные свойства. Таким образом, полученная структура может служить для вывода информации на экран. По сходному принципу работают так называемые электронные таблетки –экраны небольшого размера, покрытые слоем хиральных жидких кристаллов, молекулы которых могут менять тип симметрии в зависимости от ориентации подложки, изменяя при этом и окраску. Такие таблетки из полиимидных подложек с внедренными молекулами азокрасителей позволяют записывать с помощью поляризованного света лазера и отображать очень большой объем информации, в результате чего они получили название газеты будущего. Такие структуры могут создаваться и на гибкой полимерной подложке, что делает их еще более удобными для использования. По сходному принципу работают так называемые электронные таблетки –экраны небольшого размера, покрытые слоем хиральных жидких кристаллов, молекулы которых могут менять тип симметрии в зависимости от ориентации подложки, изменяя при этом и окраску. Такие таблетки из полиимидных подложек с внедренными молекулами азокрасителей позволяют записывать с помощью поляризованного света лазера и отображать очень большой объем информации, в результате чего они получили название газеты будущего. Такие структуры могут создаваться и на гибкой полимерной подложке, что делает их еще более удобными для использования. Основные технологии

12 Устройства вывода Второй возможный тип устройств отображения информации – это органические светодиоды, то есть активные излучающие устройства на основе p-n переходов, созданных из органических материалов. Такой светодиод состоит из одного или нескольких слоев органических молекул, помещенных между двумя электродами. Излучение света диодом происходит за счет взаимного уничтожения (аннигиляции) положительных и отрицательных зарядов в слое органического материала. Эти заряды могут поступать на светодиод непосредственно из молекулярного компьютера. Стоит отметить, что используемые в диоде электроды могут быть изготовлены не только из металла, но и из органических материалов, например на основе полианилина или полиацетилена. На сегодняшний день уже достигнут значительный прогресс в получении высоких значений эффективности светодиодов, в понижении их рабочих напряжений, а также в выборе цвета излучения. Разработаны устройства с эффективностью несколько люмен на ватт и со сроком службы несколько тысяч часов. Второй возможный тип устройств отображения информации – это органические светодиоды, то есть активные излучающие устройства на основе p-n переходов, созданных из органических материалов. Такой светодиод состоит из одного или нескольких слоев органических молекул, помещенных между двумя электродами. Излучение света диодом происходит за счет взаимного уничтожения (аннигиляции) положительных и отрицательных зарядов в слое органического материала. Эти заряды могут поступать на светодиод непосредственно из молекулярного компьютера. Стоит отметить, что используемые в диоде электроды могут быть изготовлены не только из металла, но и из органических материалов, например на основе полианилина или полиацетилена. На сегодняшний день уже достигнут значительный прогресс в получении высоких значений эффективности светодиодов, в понижении их рабочих напряжений, а также в выборе цвета излучения. Разработаны устройства с эффективностью несколько люмен на ватт и со сроком службы несколько тысяч часов. Основные технологии

13 Возникшие проблемы Внешне очевидная возможность использования отдельных молекул в качестве логических элементов электронных устройств оказывается весьма проблематичной из-за специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых к логическим элементам. Внешне очевидная возможность использования отдельных молекул в качестве логических элементов электронных устройств оказывается весьма проблематичной из-за специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых к логическим элементам. В первую очередь логический элемент должен обладать высокой надежностью срабатывания при подаче управляющего воздействия. Если рассматривать оптическую связь между элементами, то в системе одна молекула - один фотон надежность переключения будет невелика из-за относительно малой вероятности перехода молекулы в возбужденное состояние. В первую очередь логический элемент должен обладать высокой надежностью срабатывания при подаче управляющего воздействия. Если рассматривать оптическую связь между элементами, то в системе одна молекула - один фотон надежность переключения будет невелика из-за относительно малой вероятности перехода молекулы в возбужденное состояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность, используя одновременно большое число квантов. Но это противоречит другому важному требованию: КПД преобразования сигнала отдельным элементом должен быть близок к 1, то есть средняя мощность реакции должна быть соизмерима со средней мощностью воздействия. В противном случае при объединении элементов в цепь вероятность их срабатывания будет уменьшаться по мере удаления от начала цепи. Можно пытаться преодолеть эту трудность, используя одновременно большое число квантов. Но это противоречит другому важному требованию: КПД преобразования сигнала отдельным элементом должен быть близок к 1, то есть средняя мощность реакции должна быть соизмерима со средней мощностью воздействия. В противном случае при объединении элементов в цепь вероятность их срабатывания будет уменьшаться по мере удаления от начала цепи. Кроме того, элемент должен однозначно переключаться в требуемое состояние и находиться в нем достаточно долго – до следующего воздействия. Для сравнительно простых молекул это требование, как правило, не выполняется : если переходом в возбужденное состояние можно управлять, то обратный переход может происходить спонтанно. Кроме того, элемент должен однозначно переключаться в требуемое состояние и находиться в нем достаточно долго – до следующего воздействия. Для сравнительно простых молекул это требование, как правило, не выполняется : если переходом в возбужденное состояние можно управлять, то обратный переход может происходить спонтанно. Компьютерная эволюция

14 Возможные пути преодоления проблем Использование больших органических молекул или их комплексов позволяет, в принципе, обойти перечисленные трудности. Например, в некоторых белках КПД электронно – оптического преобразования близок к 1. К тому же, для большинства биологических молекул время жизни возбужденного состояния достиает нескольких секунд. Использование больших органических молекул или их комплексов позволяет, в принципе, обойти перечисленные трудности. Например, в некоторых белках КПД электронно – оптического преобразования близок к 1. К тому же, для большинства биологических молекул время жизни возбужденного состояния достиает нескольких секунд. Но даже в том случае, если отдельный молекулярный вычислительный элемент и не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников, эффективной работы будущего компьютера можно достичь, комбинируя принципы молетроники и комбинированных вычислений, применяемых в суперкомпьютерах. Для этого надо заставить несколько молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогда неправильное срабатывание одного их них не приведет к заметному сбою в вычислениях. Но даже в том случае, если отдельный молекулярный вычислительный элемент и не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников, эффективной работы будущего компьютера можно достичь, комбинируя принципы молетроники и комбинированных вычислений, применяемых в суперкомпьютерах. Для этого надо заставить несколько молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогда неправильное срабатывание одного их них не приведет к заметному сбою в вычислениях. Современный суперкомпьютер, работающий по принципу массивного параллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, может сохранить высокую производительность даже в том случае, если 75% из них выйдет из строя. Современный суперкомпьютер, работающий по принципу массивного параллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, может сохранить высокую производительность даже в том случае, если 75% из них выйдет из строя. Практически все живые системы используют принцип параллелелизма. Поэтому несовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов не мешает им эффективно функционировать. Практически все живые системы используют принцип параллелелизма. Поэтому несовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов не мешает им эффективно функционировать. Компьютерная эволюция

15 Достижения нашего времени Инженеры компании Hewlett-Packard получили патент на технологию, позволяющую конструировать компьютерные микропроцессоры не на основе кремниевых кристаллов, а на основе молекулярных цепочек. Инженеры компании Hewlett-Packard получили патент на технологию, позволяющую конструировать компьютерные микропроцессоры не на основе кремниевых кристаллов, а на основе молекулярных цепочек. Ученым удалось найти способ заставить молекулы соединяться в нужном порядке и работать в качестве логических переключателей. Такие конструкции могут быть соединены специальными "проводами", шириной атомов, сообщает Associated Press. Ученым удалось найти способ заставить молекулы соединяться в нужном порядке и работать в качестве логических переключателей. Такие конструкции могут быть соединены специальными "проводами", шириной атомов, сообщает Associated Press. В случае, если на основе этой технологии компания сможет создавать рабочие компьютерные системы, то они будут значительно дешевле и в тысячи раз меньше по обьему при производительности, сравнимой с производительностью существующих кремниевых процессоров. В случае, если на основе этой технологии компания сможет создавать рабочие компьютерные системы, то они будут значительно дешевле и в тысячи раз меньше по обьему при производительности, сравнимой с производительностью существующих кремниевых процессоров. Молекулярный компьютер, который использует ферменты для произведения подсчетов, создали израильские ученые. Итамар Виллнер, сконструировавший молекулярный калькулятор со своими коллегами в Еврейском университете Иерусалима, считает, что компьютеры, работающие на ферментах, когда-нибудь можно будет вживлять в человеческий организм и использовать, например, для регулирования выброса лекарств в систему метаболизма Молекулярный компьютер, который использует ферменты для произведения подсчетов, создали израильские ученые. Итамар Виллнер, сконструировавший молекулярный калькулятор со своими коллегами в Еврейском университете Иерусалима, считает, что компьютеры, работающие на ферментах, когда-нибудь можно будет вживлять в человеческий организм и использовать, например, для регулирования выброса лекарств в систему метаболизма для транспортировки определенных молекул в нужные места организма (например, молекул микстуры в клетки определенных органов) был создан молекулярный двигатель. Показательно, что подобными изобретениями очень сильно интересуется американское оборонное исследовательское агентство DARPA. для транспортировки определенных молекул в нужные места организма (например, молекул микстуры в клетки определенных органов) был создан молекулярный двигатель. Показательно, что подобными изобретениями очень сильно интересуется американское оборонное исследовательское агентство DARPA. Молекулярный двигатель Компьютерная эволюция

16 Будущее молекулярного компьютера Если новая технология получит развитие, то не за горами создание молекулярного компьютера, который будет в миллионы раз меньше по размерам, чем современные рабочие станции, и в тысячи раз дешевле. Такие "молекулярные ЭВМ" можно будет в огромных количествах вводить в кровеносную систему человека или встраивать в композитные материалы в качестве "умных" элементов, отвечающих за "правильное" состояние ближайшего молекулярного кластера. Если новая технология получит развитие, то не за горами создание молекулярного компьютера, который будет в миллионы раз меньше по размерам, чем современные рабочие станции, и в тысячи раз дешевле. Такие "молекулярные ЭВМ" можно будет в огромных количествах вводить в кровеносную систему человека или встраивать в композитные материалы в качестве "умных" элементов, отвечающих за "правильное" состояние ближайшего молекулярного кластера. Благодаря высокой чувствительности электронных молекулярных устройств к свету их можно использовать для создания эффективных преобразователей солнечной энергии, моделирования процессов фотосинтеза, разработки нового класса приемников изображения, принцип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза. Благодаря высокой чувствительности электронных молекулярных устройств к свету их можно использовать для создания эффективных преобразователей солнечной энергии, моделирования процессов фотосинтеза, разработки нового класса приемников изображения, принцип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза. Молекулярные устройства можно использовать также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только на определенный тип молекул. Такие сенсоры необходимы в экологии, промышленности, медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживляется в организм человека с целью контроля за его состоянием. Молекулярные устройства можно использовать также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только на определенный тип молекул. Такие сенсоры необходимы в экологии, промышленности, медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживляется в организм человека с целью контроля за его состоянием. Компьютерная эволюция

17 Когда наступит завтра? В наш прогрессивный век многие технологии по созданию отдельных элементов молекулярных компьютеров - транзисторов или модулей памяти - можно считать вполне успешными: каждый из них выполняет поставленные задачи, то есть производит логические операции или хранит записанную информацию. Ясно, что те методики, которые доступны широкой общественности, еще не идеальны, их ждут долгие годы доработок, развития и взросления. Тем не менее, уже можно "потрогать руками" реальные результаты, которые достигнуты по отдельным элементам. В наш прогрессивный век многие технологии по созданию отдельных элементов молекулярных компьютеров - транзисторов или модулей памяти - можно считать вполне успешными: каждый из них выполняет поставленные задачи, то есть производит логические операции или хранит записанную информацию. Ясно, что те методики, которые доступны широкой общественности, еще не идеальны, их ждут долгие годы доработок, развития и взросления. Тем не менее, уже можно "потрогать руками" реальные результаты, которые достигнуты по отдельным элементам. Мало чему можно порадоваться, если оценивать не транзисторы, элементы памяти и соединительные провода сами по себе, а единую систему, в которую эти модули должны быть объединены так, чтобы получить право называться молекулярным компьютером. Здесь явно нет никакого прогресса по сравнению с концом 90-х годов прошлого века, в которые оптимисты обещали создать новое поколение вычислительных устройств и просили на это только нескольких лет. Сегодня подобные заявления также озвучиваются экспертами разных уровней, только немного осторожнее. Оценки времени, которое уйдет на создание первых работающих прототипов, сильно отличаются - от четырех-пяти лет до нескольких десятилетий. Мало чему можно порадоваться, если оценивать не транзисторы, элементы памяти и соединительные провода сами по себе, а единую систему, в которую эти модули должны быть объединены так, чтобы получить право называться молекулярным компьютером. Здесь явно нет никакого прогресса по сравнению с концом 90-х годов прошлого века, в которые оптимисты обещали создать новое поколение вычислительных устройств и просили на это только нескольких лет. Сегодня подобные заявления также озвучиваются экспертами разных уровней, только немного осторожнее. Оценки времени, которое уйдет на создание первых работающих прототипов, сильно отличаются - от четырех-пяти лет до нескольких десятилетий. Научный мир не стоит на месте, и, несомненно, рано или поздно будут разработаны технологии, которые позволят уменьшить размеры отдельных элементов вычислительной техники до молекулярного уровня. В последние годы бурных научных поисков в области молекулярных компьютеров выяснилось, что проблемы решаются медленным, зато стабильным эволюционным развитием, которое может затянуться не на одно десятилетие. Научный мир не стоит на месте, и, несомненно, рано или поздно будут разработаны технологии, которые позволят уменьшить размеры отдельных элементов вычислительной техники до молекулярного уровня. В последние годы бурных научных поисков в области молекулярных компьютеров выяснилось, что проблемы решаются медленным, зато стабильным эволюционным развитием, которое может затянуться не на одно десятилетие. Компьютерная эволюция