Das Rennen läuft seit dem Erscheinen der ersten Silizium-Computerchips. Hardwarehersteller haben sich ständig gegenseitig übertroffen, um so viele Transistoren wie möglich in immer kleinere Räume zu stopfen. Im Jahr 2014 feierte Intel die Veröffentlichung von Prozessoren mit Transistoren etwa 6.000 mal kleiner als der Durchmesser einer einzelnen Haarsträhne. Dies ist jedoch weit entfernt von dem Traum, Transistoren auf molekularer Ebene herzustellen. Am 17. Juni 2016 könnte eine Forschergruppe der Peking-Universität in Peking bewiesen haben, dass dieser Traum sein könnte näher an der Realität als wir denken. Während der Wettlauf um kleinere Hardware weitergeht, können wir uns genauso gut damit befassen, was dies für uns bedeuten kann und welche Herausforderungen Hersteller bei der Verwirklichung einer Technologie in Molekülgröße haben können.
Das Problem mit dem Wort „Molekül“
Wenn wir an ein Molekül denken, denken wir an etwas außergewöhnlich Kleines – etwas so Kleines, das nur mit hochspezialisierten Geräten beobachtet werden kann. Das Problem ist, dass Moleküle im Gegensatz zu Atomen nicht immer in solch mikroskopischen Dimensionen vorliegen. Wenn mir jemand sagt, dass er einen Transistor hergestellt hat, der aus einem einzigen Molekül besteht, kommt mir als erstes die Frage in den Sinn: „Welche Art von Molekül sprechen wir?“
Eine Molekülkette kann enorm sein. Polymere wie die DNA in jeder Zelle Ihres Körpers können überall gemessen werden von 1,5 bis 3 Meter wenn es vollständig gestreckt ist, und das ist nur ein Molekül. Wir verwenden normalerweise Dinge wie Wassermoleküle als Bezugspunkt für die Größe, die bei etwa . messen 0,275 Nanometer im Durchmesser, wenn Sie neugierig sind. Beides kann die Größe der Transistoren, die die Forscher der Peking-Universität entwickelt haben, nicht richtig darstellen.
Was wir wissen ist, dass diese Schalter aus Graphen-Elektroden (einer molekularen Anordnung von ein Atom dickem Kohlenstoff) mit Methylengruppen dazwischen bestehen. Kein Medienunternehmen hat uns einen richtigen Hinweis darauf gegeben, wie groß ein solcher Transistor sein würde, aber es kann eine sichere Sache sein, dass wir etwas näher an einem Wassermolekül (in Anbetracht der kleinen Graphen- und Methylengruppen) als an einer DNA betrachten Molekül.
Größe ist nicht alles
Es ist zwar wichtig sicherzustellen, dass Sie auf wenig Platz so viel Leistung wie möglich haben, aber die Reduzierung der Transistoren ist nicht das einzige, was Sie tun können. Neben einem effektiven molekularen Schalter, der eine deutlich höhere Lebensdauer (ein Jahr) als seine Vorgänger (einige Stunden) hat, ist den Forschern von Peking U. noch ein weiterer Durchbruch gelungen: Der Schalter kann auch mit Photonen statt mit bewegten Elektronen kommunizieren. Photonen reisen viel schneller als elektromagnetische Wellen (bis zu 100 mal schneller), was bedeutet, dass wir beide mehr Transistoren auf kleinem Raum unterbringen könnten und gib jedem dieser kleinen Mistkerle einen Geschwindigkeitsschub, wie er ist Gordon Moore hätte nur träumen können.
Warum diese winzige Hardware eine Herausforderung ist
Wie bei allem, mit dem wir uns auf atomarer oder molekularer Ebene befassen, können die Dinge sehr instabil werden. Beispielsweise neigen elektromagnetische Felder stark dazu, dass sich die atomaren Strukturen von Metallen und anderen leitfähigen Materialien geringfügig verschieben. Eine solche Verschiebung kann als Signal interpretiert werden. Mikroskopische „Materialkörner“ auf atomarer Ebene könnten auch dazu führen, dass Transistoren nicht richtig funktionieren. Den Forschern von Peking U. ist es bisher gelungen, einen Schalter zu schaffen, der sich über hundert Mal aktivieren und deaktivieren lässt, mit einer Lebensdauer von einem Jahr. Obwohl dies eine wunderbare Errungenschaft ist, bezweifle ich, dass viele Menschen begeistert wären, einen Computer mit der Lebensdauer eines krebsanfälligen Hamsters zu haben. Die erste echte Herausforderung besteht darin, die mikroelektronische Umgebung so zu isolieren, dass sie mehr als ein Jahrzehnt lang laufen kann.
Auch wenn ein tragfähiger, hochbelastbarer molekularer Schalter schließlich von jemandem gebaut wird, ist es allein schon eine ganz neue Herausforderung, diesen in einen optimierten Herstellungsprozess zu bringen. Auf absehbare Zeit sind integrierte Schaltkreise die Methode der Wahl für die interne Hardwarekommunikation. Es ist nahezu unmöglich, dieses sperrige System mit molekularen Schaltern zum Funktionieren zu bringen. Um die Verletzung noch schlimmer zu machen, erfordert das Messen von Dingen in den winzigen Lücken zwischen Molekülen (was Sie tun müssen, um die darin gespeicherten Daten zu lesen) hochspezialisierte Umgebungen, deren Wartung viel Energie erfordert.
Das wegnehmen
Das Bestreben, Schalter in der Größe einiger der kleinsten Moleküle zu haben, die die Menschheit manipulieren kann, ist sehr verlockend und vielversprechend. Das heißt, wenn Hersteller Hürden überwinden können, z echte Welt. Wenn sie durch diese Reifen springen können, dann wird die molekulare Schaltertechnologie sicherlich eine Revolution auslösen, die aktuelle integrierte Schaltkreise und siliziumbasierte Chips vollständig überflüssig machen wird.
Wann glauben Sie, werden wir all diese Herausforderungen meistern können? Sag es uns in einem Kommentar!
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