Лекция № 6. Пример молекулярного сумматора

Как неоднократно отмечалось выше, создание нанопроцессора, в котором выполнение отдельных логических операций осуществляется элементами, имеющими молекулярные размеры, в настоящее время рассматривается как одна из основных проблем нанотехнологии. Ее решение позволит вплотную подойти к теоретическому пределу быстродействия компьютерной техники. В предыдущем разделе было показано, что для осуществления логических и арифметических операций существует возможность перейти от использования «логики токов» к использованию «логики зарядов». Естественным уровнем организации материи, на котором некомпенсированные заряды образуются и проявляются самопроизвольно, является именно молекулярный. Это в полной мере проявляется в биологических процессах [1, 2].

Разумеется, в данном случае речь идет только о локальном некомпенсированном заряде (система в целом остается электрически нейтральной). Однако, локальных отклонений от нейтральности достаточно для того, чтобы заряды вступали во взаимодействие друг с другом (по крайней мере, на расстояниях порядка радиуса Дебая, что достаточно для осуществления вычислений).

Точнее, при переходе к наноразмерам (точнее, к размерам порядка радиуса Дебая) проблема создания взаимодействующих некомпенсированных зарядов решается естественным путем, за счет собственной специфики полиэлектролитных систем. Это и позволяет реализовать системы, в которых логические операции осуществляются отдельными элементарными зарядами, на практике.

Покажем, что перемещение зарядов в пределах одной молекулы вследствие их электростатического взаимодействия действительно позволяет реализовать n-битовый наносумматор, не затрагивая его конкретную химическую реализацию, но памятуя, что существуют методы сообщить молекуле электростатический заряд при помощи внешнего, например, светового воздействия.

Основой работы такого наносумматора (рисунок 6.1) является молекула, приобретающая электростатический заряд в результате диссоциации. Существуют условия, при которых заряды могут перемещаться в пределах молекулы, в том числе, в результате взаимодействия друг с другом. Примером является взаимодействие некомпенсированных зарядов в молекулах частично диссоциированных поликислот, где передача заряда происходит по механизму, аналогичному дырочной проводимости.

 

а)

б)

в)

г)

 

Рисунок 6.1 - К принципу действия молекулярного наносумматора

 

Работу молекулярного наносумматора предлагаемого типа иллюстрирует рисунок 6.1. Предполагается, что в ячейках (о них говорится в том же смысле, что и в предыдущем разделе) 1-3 может находиться элементарный заряд. Химически его появление соответствует диссоциации соответствующей функциональной группы, что может иметь место, в том числе под влиянием светового излучения соответствующей длины волны или других внешних воздействий. Наличие заряда соответствует логической единице, отсутствие – нулю. Ячейки 4 – 5 связаны между собой и по ним может перемещаться два электростатических заряда, того же знака, что и помещаемые в ячейках 1 – 3. Предполагается, что ячейка 7 отвечает выходу суммы, а ячейка 8 – выходу переноса. В исходном состоянии (рисунок 6.1 а)) данные ячейки пусты, считается, что глубина потенциальной ямы, отвечающей ячейкам 4 – 8 растет в направлении, показанном стрелкой (рисунок 6.2).

x

U(x)

0

 

Рисунок 6.2 - Схема потенциальной ямы, обеспечивающей проведение операции двоичного суммирования

 

При помещении в одну из ячеек 1 – 3 заряда вследствие взаимного отталкивания заряды располагаются так, как показано на рисунке 6.1(б). На выходе суммы имеет место логическая единица. Аналогично, при помещении двух зарядов в ячейки 1-3, увеличивается сила отталкивания, и заряды расположатся еще дальше от входных ячеек (рисунок 6.1(в)). На выходе суммы – логический ноль, но на выходе переноса – логическая единица [7, 8].

И, наконец, при появлении всех трех зарядов в ячейках 1-3, сила отталкивания становится настолько велика, что рабочие заряды расположатся в крайнем правом положении. Таким образом, на выходе суммы – логическая единица, на выходе переноса – логическая единица, что соответствует таблице истинности одноразрядного сумматора (таблица 6.1).

 

Таблица 6.1 - Таблица истинности для одноразрядного сумматора с переносом, Pn-1 и Pn – вход и выход переноса для n–ного разряда

Входы	Выходы
X1	X2	Pn-1	S	Pn

 

Рассматриваемый сумматор может наращиваться покаскадно, для этого выход переноса (ячейка 8) предыдущего каскада принимается за один из входов (1-3) последующего, благодаря чему, отдельная молекула (или фрагмент макромолекулы) оказывается способной выполнять функции сумматора с любым числом разрядов (точнее, число таких разрядов ограничивается только числом повторяющихся звеньев в соответствующем полимере или олигомере).

Соответствующая структура для случая n=3 (трехбитовый сумматор) представлена на рисунке 6.3. Видно, что она выполняет в точности те же функции, что и традиционно используемый сумматор на основе полупроводниковых логически элементов, для сравнения традиционная схема соединения сумматоров показана на рисунке 6.4.

 

Слагаемые n-1 –го разряда

Слагаемые n-го разряда

Слагаемые n+1 -горазряда

 

 

Рисунок 6.3 - Пример покаскадного соединения 1-битовых сумматоров на основе перемещения элементарных зарядов с учетом разряда переноса

 

Центральным вопросом при обсуждении работы сумматора такого типа, как показано на рисунке 6.1 и 6.2, является проблема исключения взаимного влияния каскадов сумматора (или иной системы, выполняющей логические операции на наноуровне) друг на друга. Такое влияние неизбежно будет иметь место, если рассматривается изолированная система одноименных зарядов.

Однако при использовании электролитных систем указанная проблема также может быть решена естественным путем, за счет эффектов экранировки, что объединяет системы на основе полиэлектролитных гидрогелей с возможными системами молекулярного уровня. Как было показано выше, заряды, окруженные облаком противоионов, способны к взаимодействию только на ограниченных расстояниях, характерным масштабом которых является радиус Дебая. Поэтому экранирующий эффект противоионов в состоянии исключить взаимное влияние каскадов (одноразрядных сумматоров) друг на друга.

 

Рисунок 6.4 - Традиционная схема покаскадного соединения одноразрядных сумматоров на основе полупроводниковых элементов

 

Необходимо подчеркнуть, что системы на основе полиэлектролитов фактически предоставляют возможность регулирования радиуса взаимодействия в очень широких пределах, что достигается введением в рабочий раствор низкомолекулярной соли. Кроме того, существует возможность регулировать расстояние между взаимодействующими зарядами за счет использования блок-сополимеров, содержащих помимо заряженных звеньев также и электрически нейтральные(введение таких звеньев фактически просто увеличивает расстояние между отдельными ячейками – заряженными функциональными группами).

Разумеется, конкретная практическая реализация наносумматора, действующего на основе описанного принципа, еще потребует рассмотрения целого ряда нюансов. Однако, уже на данном этапе исследований можно утверждать, что сделан шаг вперед, аналогичный тому, что был осуществлен в получившей широкую известность магистерской диссертации основоположника современной информатики К.Э. Шеннона. В ней было показано, что работа последовательно и/или параллельно соединенных реле соответствует выполнению логических операций. Именно на этой основе впоследствии получила развитие современная вычислительная техника.

Весьма существенной проблемой является запись информации в рассматриваемые структуры молекулярного уровня. Прямое использование, скажем, светового излучения становится затруднительным из-за больших длин волн. Как отмечалось выше, к гидрофильным полимерам могут быть привиты функциональные группы, которые диссоциируют под воздействием излучения оптического или ультрафиолетового диапазона. Следовательно, возникает возможность вводить складываемые числа при помощи оптического излучения, если, например, настроить соответствующую функциональную группу на заданную длину волны.

Разумеется, при таком, наиболее простом подходе к записи информации оказывается, что все молекулы, попавшие под воздействие излучения, выполняют одни и те же операции. Однако даже такой максимально упрощенный подходможет иметь серьезное практическое значение, например, для контролируемого ввода препаратов в организм. Однако, такое практическое использование не снимает вопрос о записи информации в структуры молекулярного уровня. Данная проблема, в принципе, может быть решена при помощи нейросетевых методов. Поэтому в следующем разделе дается краткий экскурс в теорию нейронных сетей.