Молекулярная вычислительная машина - фантастика или реальность?
Леонид Черняк
Механические инструменты для счета известны много столетий. В числе тех, кто над ними работал, были такие гении, как Леонардо да Винчи и Блез Паскаль, Иоган Кеплер и Готфрид Вильгельм фон Лейбниц, а также огромное множество менее известных изобретателей. С достаточно полной историей механических вычислительных устройств можно ознакомиться на http://www.webcom.com/calc.
Отвлекаясь от деталей, отметим, что практически все механические устройства в той или иной форме используют идею счетного колеса, как, например, машина да Винчи (см. рис. 1). Ее восстановленная действующая модель хранится в Бостонском музее вычислительной техники. Высшим и последним достижением в области механического счета стало колесо Однера (Willgodt Theophil Odhner, 1845 - 1905). Шведский инженер Однер работал на заводе Людвига Нобеля в Санкт-Петербурге. Именно ему принадлежит изобретение колеса с переменным числом зубцов (pin wheel), используемого в арифмометрах. Колесо Однера было запатентовано в России. До начала первой мировой войны на заводе Нобеля было выпущено свыше 30 тыс. арифмометров, причем бо/льшая часть из них была продана внутри страны. Арифмометры вначале использовались в русской армии и только потом стали непременным атрибутом бухгалтерии. Благодаря Однеру и Нобелю по уровню механизации счета Россия тогда далеко опережала западные страны. Этот образец двойной технологии дает основание для патриотической гордости за то, что хоть когда-то и наша родина была на передовом рубеже информационных технологий.
Рис. 1. Машина Леонардо да Винчи и ее работающая модель
Наиболее совершенные электромеханические арифмометры были выпущены в конце шестидесятых годов в Германии, но они быстро вышли из употребления, вытесненные электронными калькуляторами. Казалось бы, калькуляторы и компьютеры, в основе которых лежат кремниевая технология и двоичная арифметика, окончательно похоронили идею счетного колеса. Однако совершенно неожиданно оказалось, что есть вероятность возрождения древнего счетного инструмента на абсолютно новом технологическом уровне. Слово “вероятность” употреблено в связи с тем, что технология, которая может составить конкуренцию современной кремниевой, находится еще в зародышевом состоянии, поэтому ни о каких промышленных экспериментах пока говорить не приходится. Ключевым элементом новой технологии станет нанотрубка.
Что такое нанотрубка?
Для ответа на этот вопрос нужно сказать несколько слов о нанотехнологиях.
Ричард Фейнман (многие изучали институтский курс физики по его лекциям) в 1959 г. сказал: “Законы физики, как я их понимаю, не противоречат возможности работы с отдельным атомом. Когда-нибудь физик сможет создавать химическое вещество, структуру которого ему укажет химик. Прикажите - и физик синтезирует его. Как? Он просто расположит атомы в тех местах, которые ему укажет химик”. Это высказывание стало девизом, своего рода мантрой научного направления, называемого нанотехнологией.
Термин “нанотехнология” происходит от единицы измерения нанометр, равной 10-9 метра. Этот пока не слишком известный термин закрепился за научным направлением, ориентированным на исследования в области инженерии на молекулярном уровне, т. е. на создание устройств из атомов и молекул.
Чтобы представить себе область действия нанотехнологий, стоит сказать, что куб с ребром, равным одному нанометру, содержит примерно двести атомов вещества. Естественно, что сегодня готовых продуктов нанотехнологий пока не существует, их появление - дело будущего, возможно, не очень далекого.
Современная электроника, основанная на кремниевой технологии, довольно скоро, не позднее первой четверти следующего века, приблизится к лимиту миниатюризации. С неизбежностью предстоит переход из микронного в нанометровый диапазон измерений. Даже самые передовые технологии, используемые при производстве кремниевых микросхем, не могут выйти из микронной области, где имеется теоретический предел для ширины печатного проводника, примерно равный 0,07 - 0,1 микрона. Дальше вступают в силу законы квантовой механики, волновая природа электрона и т. д. Здесь заканчивается представление о природе на уровне закона Ома и начинается область нанотехнологий. До указанного предела осталось совсем немного, уже объявлены будущие процессоры, которые будут построены по 0,18-микронной технологии, так что дальше прямого пути линейного развития нет.
Первые работы по нанотехнологиям были опубликованы в начале 80-х годов, и интерес к ним в течение ряда лет были ограничен узким кругом академических исследователей, главным образом, ведущих американских университетов. Публикацию в 1986 г. книги Эрика Дрекслера (Eric Drexler), одного из наиболее видных исследователей нанотехнологий, “Орудие созидания” (“Engines of Creation”, Anchor Press) можно считать своего рода отправной точкой в истории нанотехнологий. Эта книга в полном объеме выложена в Web по адресу: http://www.foresight.org.
Работы Эрика Дрекслера и других первых исследователей нанотехнологий носили в основном теоретический и, если можно так сказать, футурологический характер, типичный для американской научной мысли. Их вполне можно отнести к категории философских или науковедческих исследований. Содержание этих работ в конечном итоге сводится к анализу тенденций в развитии технологий в их исторической преемственности. Показательна в этом отношении статья Джона Уолкера (John Walker), бывшего руководителя и основателя компании Autodesk, опубликованная им в 1990 г. (http://www.foresight.org/Briefing3.html). Можно рекомендовать и статью “It’s a small, small, small, small world” Ральфа Меркле (Ralph Merkle), размещенную по адресу: http://nano.xerox.com/nanotech/MITtecRvwSmlWrld/article.html.
Рис. 2. Лауреат Нобелевской премии в
области химии 1996 года Ричард Смайли
Перечисленные статьи и книги читаются с огромным интересом, но, к сожалению, от чтения не остается иного “сухого остатка”, кроме вывода о том, что “да, за молекулярной электроникой большое будущее”. По сути все перечисленные авторы предлагают некоторые гипотетические подходы для построения “аппаратной платформы” молекулярных механизмов на биотехнологических основах. Они скорее постулируют, чем предлагают что-то реальное. Такой метод преподнесения информации вызывает чувство разочарования, поскольку даже стороннему наблюдателю очевидно, что моделирование и копирование живых клеток в промышленных целях если и возможно, то в весьма отдаленном будущем.
Наверное, нанотехнология и далее оставалась бы университетской научной окраиной, если бы не работы физиков и химиков в этом направлении, выполненные в период с 1991 г. по настоящее время. Наиболее признанными оказались труды Ричарда Смайли (Richard E. Smalley) и его соавторов Роберта Курла (Robert F. Curl) и Гарольда Крото (Harold W. Kroto), за которые они были удостоены Нобелевской премии в области химии 1996 г.
Данное направление отличается полным отсутствием биотехнологических предпосылок, это “нормальная” инженерная работа. В наиболее общей форме Р. Смайли описывает свой подход и свою философию в статье “Нанотехнология в ближайшие 50 лет” (http://cnst.rice.edu/reshome.html). Прежде всего он разделяет нанотехнологии на две ветви: “влажную” и “сухую”. Влажная - это все, что относится к биотехнологиям, т. е. к существованию клеточных структур в водной среде. Как бы ни были замечательны достижения влажной нанотехнологии, их возможности, по мнению Смайли, очень далеки от индустриальных. Альтернативное направление нанотехнологии находится в русле традиционного технического прогресса, прошедшего путь от паровой машины до современных компьютеров. Это направление Смайли называет “сухим”, или инженерным. Задача сухого подхода к нанотехнологии (“dry side” of nanotechnology) заключается в создании новых объектов на атомарном уровне, без воспроизводства живых клеток и без использования водных растворов.
В популярной статье “Фуллеронные нанотрубки: С 1 000 000 и далее” (“Fullerene Nanotubes: C1,000,000 and Beyond”), опубликованной в журнале American Scientist (июль-август 1997), Р. Смайли вместе с Борисом Якобсоном (Boris I. Yakobson) рассказывают о своей работе (см. http://www.sigmaxi.org/amsci/articles/97articles/Yakobson.html).
Все началось примерно десять лет назад. Тогда впервые с помощью новейших микроскопов были открыты структуры, названные фуллеронами. Название “фуллерон” происходит от имени открывшего их ученого - Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), от его же имени произошло и шуточное название молекул buckyballs, т. е. шарики Баккли. Они представляли собой молекулы углерода С60, имеющие правильные геометрические формы. Р. Смайли и его коллеги внесли свой вклад в изучение фуллеронов и синтез более сложных молекул, чем С60 . Вынесенное в название статьи обозначение С 1 000 000 можно рассматривать как метафору будущего прогресса - молекулы углерода, названные авторами нанотрубками.
Рис. 3. Наноколеса Однера
Управляемый синтез молекул позволит создавать материалы с наперед заданными свойствами; в частности, к числу потенциально перспективных направлений относятся сверхпроводниковые нанотехнологии, плоские экраны, но, пожалуй, самое удивительное направление - создание компьютеров, в основе которых будут счетные колеса, представляющие собой вращающиеся нанотрубки.
Компьютер без кремния и двоичной системы счисления?
Сегодня эксперименты с нанотрубками, ориентированные на создание молекулярных вычислительных машин, ведутся на уровне моделирования этих машин на суперкомпьютерах. Наиболее продвинулись в этих работах Ал Глобус и его коллеги из исследовательского центра NASA (NASA Ames Research Center), работающие в отделении цифрового моделирования (Numerical Aerospace Simulation Systems Division).
Идея нового типа машин заключается в том, что нанотрубки различного диаметра и с различным числом зубцов вращаются в газовой или твердой среде (см. рис. 4). Они образуют единый счетный механизм, подобный архаичным арифмометрам. Роль зубцов здесь выполняют молекулы бензола, насаженные на трубки. Моделирование показало, что возможно зацепление между зубцами-молекулами и одна “шестерня” способна привести в движение другую. Скорость вращения по результатам моделирования составит примерно 100 миллиардов оборотов в минуту. Теоретически пара трубок в состоянии производить до 109 умножений в секунду. Приводить молекулы в движение можно с помощью лазерного луча.
Рис. 4. Нанотрубки в газовой среде
Как создать собственно вычислительную машину из трубок, разумеется, пока еще не ясно. В любом случае речь не идет об универсальной машине типа современного компьютера. В первом приближении можно представить, что одна молекулярная машина будет решать одну задачу. Создавать эту машину будет специальный молекулярный компилятор, он должен синтезировать набор нанотрубок, соответствующий задаче, т. е. скомпилировать в среде машину, способную решить задачу. Более подробно об экспериментах по моделированию молекулярных вычислительных машин можно прочесть в http://science.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/publications/MGMS_EC1/simulation/paper.html.
P.S. Второго июля автору случилось быть на слушаниях в Государственной Думе “О проблеме развития электронно-вычислительной техники в РФ”. О том, как относятся к проблемам современных технологий в этом органе власти, - отдельный разговор. Но здесь я воспользовался случаем и задал вопрос о том, что он думает о нанотехнологиях, директору НИИ молекулярной электроники Геннадию Яковлевичу Красникову. Меня подвигло на это название института, им возглавляемого. Признаюсь, что вопрос был задан на ходу и не предполагал длительной беседы, но полученный ответ был несколько короче ожидаемого. Он состоял из одного слова: “Чушь”.
Сразу на память пришла фраза из старого анекдота. “Может в Нью-Йорке или в Париже вы - фигура, а в Одессе вы - продукт вторичный”. Не такое ли отношение к науке готовит тему еще одних слушаний, констатирующих нашу технологическую отсталость, лет через 20 - 30?
