ПЕРВЫЙ МОЛЕКУЛЯРНЫЙ КОМПЬЮТЕР
Я. В. Дубовицкий
Научный руководитель – А. И. Макосий, канд. физ. мат. наук
ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова»
Молекулярный компьютер (МК) – это устройство, в котором вместо кремниевых чипов, используемых в современных интегральных схемах, работают отдельные молекулы или целые конгломераты. Разумеется, молекулы должны быть запрограммированы на нужные свойства и поведение. Так, они должны существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои химические и физические свойства. Преимущества подобных компьютеров по сравнению с существующими огромны. Производительность кремниевого чипа пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы. На процессорном чипе современного компьютера расположено до десятка миллиардов транзисторов, и намного больше разместить уже вряд ли удастся, поскольку доведённые до совершенства технологии достигли своего пика. Несмотря на то что технологии производства изолирующего оксида кремния совершенствуются и он становится тоньше, у него есть физический предел – не более 4−5 молекул (1,5−2нм). В более тонких слоях начинаются неконтролируемые процессы туннелирования электронов и перегрева, которые нарушают работу транзисторов и вычислительной системы в целом.
Размеры же самых крупных молекулярных транзисторов будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Поскольку, как указано выше, производительность компьютера зависит от числа транзисторов, то уменьшение размеров до одного нанометра (размер молекулы) даёт тысячекратный выигрыш! А уменьшение времени отклика до фемтосекунд: именно таково характеристическое время протекания элементарной стадии химической реакции, то эффективность молекулярного компьютера может оказаться в миллион раз выше, чем современного кремниевого.
|
|
|
В последние годы было продемонстрировано, что цифровая информация может храниться в биологических и синтетических макромолекулах. В таких цифровых полимерах мономерные блоки, образующие цепи, используются в качестве молекулярных битов и собираются посредством управляемого синтеза в читаемые цифровые последовательности. Например, сообщалось, что упорядоченные олигонуклеотидные последовательности позволяют хранить несколько килобайт данных в цепочках ДНК. Кроме того, группа исследователей из института Радикальной химии в Марселе продемонстрировала, что двоичные сообщения также могут эффективно храниться в различных типах синтетических макромолекул.
В октябре 2017-го года мир потрясло известие о том, что учёным из Института Садрона удалось успешно закодировать и прочитать слово Sequence (представленное в ASCII коде) с помощью последовательности синтетических полимеров. Таким образом, они доказали, что в молекулах полимеров можно хранить информацию, и занимать она будет в 100 раз меньше места (физического), чем на обычных жёстких дисках.
|
|
|
Чтобы закодировать информацию в полимеры, используются два разных типа мономеров («битов»), содержащих фосфатные группы. Первый тип обозначает единицу, а второй — ноль. Через каждые восемь мономеров идет молекулярный разделитель NO-C (сепаратор), отмечающий байт.
Чтобы расшифровать информацию, каждый байт сперва «отделяется» в месте расположения сепаратора. После этого фосфатные связи между мономерами уничтожаются, а сами мономеры идентифицируются с помощью масс-спектрометра.
Сейчас на то, чтобы закодировать и прочитать информацию, уходит несколько часов. Но по мнению ученых, проблема решаема — для этого нужно автоматизировать синтез полимеров и анализ последовательностей.
Следующей целью ученых является создание первой «молекулярной дискеты» — молекулы большего размера. Она сможет хранить несколько килобайт информации, например страницу текста.
Пока что главной проблемой является то, что при считывании путём масс-спектрографии разрушается сама последовательность полимеров. Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущих достижений. Массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2020 и 2025 годами.
© Дубовицкий Я. В., 2018
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 315; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!