Новый тип революционного 16-битного нанокомпьютера

Друзья, с момента основания проекта прошло уже 20 лет и мы рады сообщать вам, что сайт, наконец, переехали на новую платформу.

Какое-то время продолжим трудится на общее благо по адресу https://n-n-n.ru.
На новой платформе мы уделили особое внимание удобству поиска материалов.
Особенно рекомендуем познакомиться с работой рубрикатора.

Спасибо, ждём вас на N-N-N.ru

Нанотранзистор (модель)

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.

Принцип строения молекулы-нанотранзистораРис. 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.

СТМ-изображения и молекулярное моделирование различных логических состояний наноустройстваРис. 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.

Массив нанокомпьютера на основе дюроквинонаРис. 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

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.1 (7 votes)
Источник(и):

1. PhysOrg: Tiny Brain-Like Transistor Controls Nanobots

2. Telegraph: Molecular computer could be nanobot brain

3. PNAS: 16-bit parallel processing in a molecular assembly



Anonymous аватар

Да это же получается лучше квантового компьютера !!! Кубит может сущесвовать одновременно в двух состояниях, а в этом случае  – в четырех. Технология в триста раз проще – никаких квантов вам тут не предлагают, чистая механика ведь получается. Осталось лишь придумать способ управления этим чудом техники. А там на горизонте пахнет вычислениями чуть ли не с бесконечной скоростью. Супер.

Svidinenko аватар

Вообще-то да! Очень, очень похоже на архитектуру нейронных сетей, но я об этом не писал из-за того, что неизвестно, как они будут сигналы передвать от транзистора к транзистору. Нам пока только переключения состояний продемонстрированы.

Anonymous аватар

Насколько я понимаю, это новость пересекается с http://www.membrana.ru/lenta/?8056

Справедливая критика данной идеи http://walter-simons.livejournal.com/88965.html

Что думается по этому поводу?

Svidinenko аватар

Критика двоякая – с одной стороны, пока компьютера много лет еще не видать, но с другой – сама тенденция и ее реализация вживую, хоть и с помощью СТМ радует.

Anonymous аватар

Не решена задача ввода вывода информации. Возможность управления магнитными полями и электротоком под вопросом. Компьютер из этого сделать будет трудно. Получилась бы память – и то было бы хорошо. Квантовый компьютер использует спины частиц и переключатся будет быстрее т.к. молекула хоть и мала, но имеет большую инерцию по сравнению со спином.

Anonymous аватар

В квантовом компьютере все сочетания кубитов хранятся одновременно, а здесь храниться только одно. В современном процессоре миллиард транзисторов, но не говорят же что он выполняет миллиард действий одновременно. Тоже самое и здесь. – Это по поводу безконечной скорости вычислений.

А вот что касается полезности этого прибора, то да – это очень полезно. Хотябы как энергонезависимая очень быстрая сверхёмкая память.

Anonymous аватар

Во первых я бы сказал что заголовок статьи как громкая реклама, тоесть не соответствует реальности. Ниокаком «компьютере» насколько видно речь не идет. Речь идет всеголишь о том что ученные успешно сопрягают между собой несколько молекул, и понятия не имеют что дальше с этим нужно делать :)) Ну понятно что сама проделанная работа безусловно впечатляет, вот только компьютеры и даже какие либо простейшие вычисления здесь помоему непричем. Далее с количеством состояний, подсчетом которых занялся автор статьи имхо какаято лажа – 16 бит, что указано в заголовке это 65536 состояний и как они получаются автор статьи нифига не разобрался, вместо этого начал что то возводить в степеня :))

Anonymous аватар

Во-первых, это не компьютер и даже не транзистор, а просто переключатель. Во-вторых, состояний у него не 4^xxx, не 16, а в лучшем случае 8.

Anonymous аватар

Это всего общие слова. По сути мы увидели здесь лишь несколько рисунков из которых мало что понятно без пояснений…