Уже много лет ученые надеются о создании с помощью нанотехнологий «армии нанороботов», которые смогут выполнять множество различных полезных операций: собирать нанокомпьютеры, лечить рак и восстанавливать поврежденные клетки. Однако до сих пор в их создании не преуспел никто. Создано много математических моделей, но дальше них ученые пока не продвинулись.

Небольшой шаг вперед наноробототехнике сделали японские ученые из Национального Института Материаловедения в Цукубе (National Institute of Materials Science, Tsukuba).

Как говорит Анирбан Бандуопадьяй (Anirban Bandyopadhyay) и его коллега Сомобрата Ашарья (Somobrata Acharya), ученым удалось впервые заложить фундамент для простого нанокомпьютера с высоким быстродействием, который бы управлял, например, молекулярными машинами. Благодаря высокой вычислительной мощности и возможности проводить параллельные вычисления, «нано-мозг», как назвали его исследователи, может управлять даже несколькими наномашинами одновременно.

Правда, ученые говорят, что процессор на основе молекулярных нанотранзисторов нового типа, которые использовались в исследовании, может произвести революцию не только в наноробототехнике, но и в современной электронике.

Разберемся более детально с сутью открытия японских исследователей. Отдельные участки «мозга-нанокомпьютера» представляют собой миниатюрные нанотранзисторы, которые существенно отличаются производительностью.

Рис. 1. Принцип строения молекулы-нанотранзистора

Это значит, что компьютер на их основе сможет выполнять в 16 раз больше инструкций за то же самое время, чем традиционные, работающие по двоичному принципу.

Это отличие вызвано только особенностью архитектуры нанотранзистора. Это, по сути дела, большой молекулярный комплекс, состоящий из 16 молекул дюроквинона (duroquinone), формирующих кольцевую структуру, и одной молекулы дюроквинона в центре. Центральная молекула играет роль «переключателя», так как именно ее положение задает логическое состояние транзистора.

Вместо традиционных бинарных операций, которые выполняет обычный микроэлектронный транзистор, одна молекула дюорквинона может переключаться между четырьмя разными состояниями – 0, 1, 2, 3. Это связано с изменением положения ее цепей в пространстве.

Для исследования его свойств, Анирбан и Ашарья смонтировали наноустройство на подложке из золота. Кольцо из 16 молекул было жестко прикреплено к основе, в то время как центральную молекулу исследовали с помощью зонда сканирующего электронного микроскопа. Этим же микроскопом ученые переключали состояние транзистора, заставляя центральную молекулу вращаться.

Необходимо сразу сказать, что это пока единственный способ, заставляющий нанотранзистор переключаться. В будущем ученые планируют изменять состояние молекулы с помощью специфических белков или внешнего электромагнитного поля. Но пока заставить «работать» наномашину можно только с помощью зонда микроскопа.

Рис. 2. СТМ-изображения и молекулярное моделирование различных логических состояний наноустройства

Центральная молекула дюроквинона связана с двумя, находящимися на кольце через водородные мостики, поэтому есть возможность передачи сигнала через центр от одной боковой молекулы к двум кольцевым. Как говорит Ашарья, это будет выглядеть как в обычном многополюсном переключателе, когда при одном из положений центральной ручки ток проходит только по двум радиально расположенным контактам через центр.

Правда пока неизвестно, можно ли будет пропускать через молекулу слабые электрические сигналы, но ученые уверены в этой возможности. Также они соединили окружающие молекулы с несколькими молекулярными машинами, и те реагировали на перемещение центральной молекулы.

Итак, благодаря тому, что центральная молекула может находиться в одном из четырех логических состояний, а сам транзистор, благодаря 16 молекулам вокруг– в 16-ти, то целиком структура имеет 4¹⁶ состояний, что соответствует 4,3 млрд. различных состояний устройства.

Рис. 3. Массив нанокомпьютера на основе дюроквинона

Это можно сравнить с произведением параллельных вычислений на 16-битном процессоре, которым и является молекулярная машина-нанотранзистор. Не нужно говорить, что такие вычислительные возможности, сосредоточенные в столь малом объеме, могут произвести небольшую революцию в микроэлектронике при должном дальнейшем развитии этой технологии.

Ученые не намерены останавливаться на достигнутом, и планируют сконструировать процессор, состоящий из 1 тысячи молекул дюроксинона, что соответствует примерно 58 отдельным нанотранзисторам.

Также плоское двумерное «колесо», окружающее центральную молекулу, ученые хотят развернуть в трехмерную сферу, состоящую из 1024 молекул. Как показывает нехитрый расчет, нанотранзистор такого типа может выполнить уже 4¹⁰²⁴ операций.

Естественно, такой нанокомпьютер может запросто стать основной вычислительной базой для нанороботов и сложных суперкомпьютеров. Более того, вполне возможно, что развитие этой ветки наномеханики может способствовать развитию искусственного интеллекта.

О своей работе ученые сообщили в мартовском выпуске PNAS: Bandyopadhyay, Anirban and Acharya, Somobrata. «A 16-bit parallel processing in a molecular assembly.» Proceedings of the National Academy of Sciences. March 11, 2008, vol. 105, no. 10, 3668–3672.

Свидиненко Юрий