Молекулярные устройства

Ячейка солитонной памяти представлена на рис. 13. Наличие или отсутствие солитона определяет хранение бита информации, а число хранимых битов зависит от скорости распространения солитона и длины сопряженного полимера. Сопряженный полимер связывает генератор солитонов (ГС) и электронный туннельный переключатель (ТП). Показана возможность накопления четырех битов информации. При одновременном прибытии положительного и отрицательного солитонов срабатывает туннельный переключатель. Солитонные устройства памяти не имеют высокого быстродействия, однако, отличаются высокой плотностью хранения информации. Оценки показывают, что если расстояние между солитонами ~200 Ǻ, расстояние между центрами цепочек ~50 Ǻ, то информационная емкость близка к ~10¹⁸ бит/см³.

В устройствах памяти могут быть использованы и пленки Лэнгмюра-Блоджетт. Каждая молекулярная система имеет свою частоту поглощения. Запись информации осуществляется избирательно в ансамбль молекул трехмерной молекулярной пленки с помощью лазерного излучения определенной частоты. Считывание информации осуществляется за счет обратных физических явлений. Использование свойств молекулярных структур позволяет создать трехмерные запоминающие устройства высокой информационной емкости.

Рис. 13 – Память на солитонах

Существуют различные идеи построения молекулярных компьютеров. Их микросборка, например, может быть осуществлена химическим осаждением из газовой фазы. Последовательность химических превращений при создании молекулярной вычислительной машины рассчитывается на электронной вычислительной машине.

В итоге к базовой молекуле добавляются все новые и новые звенья, формируются проводники, изоляторы, вентили, компоненты вычислительных устройств. Так, например, размер молекулярного вентиля может быть меньше одной сотой микрометра, а плотность сборки может достичь 10¹⁸ вентилей/см³. На рис. 14 представлена конструкция гипотетической молекулярной ЭВМ.

Рисунок 14 – Вариант конструкции молекулярной ЭВМ

Процессор и память занимают объем ~1 см² и монтируются на криостате, который предотвращает нагрев контактов и снижает химическую активность молекул. Для уменьшения количества межсоединений предусматривается использование оптических каналов для ввода/вывода информации.

Обработка информационных массивов молекулярными системами имеет ряд особенностей, среди которых важнейшими являются:

– гигантский параллелизм переработки информации;

– высокая эффективность преобразования информации;

– значительная информационная сложность исходных операций;

– способность к изменчивости и эволюции молекулярных компонентов устройств переработки информации и эволюционному обучению (самообучению) устройств;

– динамические механизмы переработки информации, основанные на сложных нелинейных процессах.

Другим примером высокой производительности может служить процессор, реализованный на пленках Лэнгмюра-Блоджетт. На таких пленках можно создать молекулярные системы с высокой степенью параллелизма обработки информации и большой вычислительной мощностью.

В качестве примера приведем идею сложения двух образов, проецируемых на искусственную мембрану типа лэнгмюровской пленки со встроенными молекулами фотоактивируемого фермента (динамические неоднородности). В этом случае выходной сигнал, представляющий собой концентрацию продукта ферменто-активной реакции, будет пропорционален сумме оптических сигналов на входе системы.

Оценки показывают, что при поверхности пленки ~1см² и при разрешающей способности 10 мкм число ячеек составит 10⁶. Каждая ячейка будет содержать ~10⁴–10⁵ молекул фермента при 1% заполнении поверхности. Если оценить время операции в одной ячейке даже ~10^–2с, то, учитывая высокую степень параллелизма обработки информации (~10⁶), эффективное время одной операции составит ~10^–8сек. Другими словами, обработка больших информационных массивов методами ФЭ позволяет предельно распараллеливать информацию в процессе ее обработки. Проект на лэнгмюровских пленках в жизнь еще не воплощен.