Calcul moléculaire

Pour Mark Reed, l'avenir de l'électronique moléculaire vient d'arriver. Un gars qui se décrit comme un appareil, Reed, qui dirige le département d'ingénierie électrique de l'Université de Yale, se targue d'avoir un penchant distinctement pratique. Interrogez-le sur la possibilité d'utiliser un jour des molécules pour remplacer le silicium dans des ordinateurs des milliards de fois plus rapides que les PC d'aujourd'hui ou qui tiennent sur une tête d'épingle, et il grimace. Je ne sais pas comment faire ça. Je pense que personne ne le fait, dit-il avec dédain.

Mais cela n'atténue pas l'enthousiasme que ressent Reed, un chercheur de premier plan en électronique moléculaire. En utilisant des molécules synthétisées par le chimiste James Tour de l'Université Rice, Reed a fabriqué des mémoires électroniques et un élément logique simple composé de molécules qui fonctionnent comme de minuscules commutateurs individuels. Les dispositifs, qui reposent sur de petites molécules organiques conçues par les chimistes de Rice pour avoir les bonnes propriétés électroniques, sont des expériences de laboratoire brutes. Mais ils fonctionnent - les molécules agissant comme un composant dans des appareils électroniques ultrapetits capables d'allumer et d'éteindre le courant. De plus, ces premiers prototypes ont déjà montré des indices d'exécution de tours de mémoire et de logique impossibles avec les semi-conducteurs en silicium.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2000

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Le plus impressionnant, dit Reed, est que les dispositifs moléculaires sont étonnamment faciles et potentiellement bon marché à fabriquer. Vous plongez simplement une plaquette de silicium garnie d'électrodes métalliques dans un bécher rempli des bons produits chimiques et donnez aux molécules quelques minutes pour se former sur les électrodes. Si vous êtes assez intelligent avec la chimie, il est possible d'amadouer les molécules pour qu'elles s'orientent spontanément sur les électrodes. Cela fonctionne à merveille, et cela fonctionne à chaque fois, dit Reed.

Cela peut fonctionner à chaque fois, mais il existe une controverse considérable sur ce que ces réactions chimiques représenteront un jour. Alors que les vrais croyants envisagent un monde dans lequel des ordinateurs moléculaires microscopiques fabriqués à faible coût effectuent des calculs remarquables, les sceptiques pensent que le domaine a perdu de vue le monde réel des limites de l'ingénierie. Pendant ce temps, des gars d'appareils comme Reed pensent que l'avenir - sous la forme de prototypes réalisables pouvant être intégrés à la technologie conventionnelle du silicium - est maintenant.

Le principal avantage de l'informatique moléculaire est le potentiel d'emballer beaucoup plus de circuits sur une micropuce que le silicium ne sera jamais capable de le faire à moindre coût. Les fabricants de semi-conducteurs peuvent désormais entasser environ 28 millions de transistors sur une puce en réduisant les plus petites caractéristiques des transistors à environ 180 nanomètres (milliards de mètre). Cependant, en utilisant les méthodes de fabrication de puces conventionnelles, plus vous créez une fonctionnalité petite, plus le processus devient coûteux et difficile. De nombreux experts en semi-conducteurs doutent que les méthodes de fabrication commerciales puissent économiquement fabriquer des transistors en silicium beaucoup plus petits que 100 nanomètres. Et même si les fabricants de puces pouvaient trouver un moyen raisonnable de les graver sur une puce, les composants en silicium ultrapetits ne fonctionneraient probablement pas : à des dimensions de transistor d'environ 50 nanomètres, les électrons commencent à obéir à des lois quantiques étranges, errant là où ils sont. pas censé être.

Les molécules, quant à elles, ne mesurent que quelques nanomètres, ce qui rend possibles des puces contenant des milliards, voire des milliards, de commutateurs et de composants. Dans les premières expériences, les scientifiques ont pris en sandwich un grand nombre de molécules entre des électrodes métalliques. Les appareils fonctionnent, cependant, parce que chaque molécule fonctionne comme un interrupteur. S'il était possible de câbler un petit nombre de molécules ensemble en tant que composants électroniques individuels pour former des circuits, le résultat changerait tout dans la conception informatique. Les mémoires moléculaires pourraient avoir un million de fois la densité de stockage des meilleures puces semi-conductrices d'aujourd'hui, permettant de stocker les expériences d'une vie dans un gadget de la taille d'une montre-bracelet. Les superordinateurs pourraient être assez petits et assez bon marché pour être incorporés dans les vêtements. Les craintes que la technologie informatique ne se heurte bientôt à un mur disparaîtraient.

Ces applications sont dans des décennies si elles se matérialisent un jour. Pourtant, soutient Reed, certaines utilisations de l'électronique moléculaire pourraient bientôt être réalisables. Des dispositifs moléculaires ultra-petits et bon marché pourraient être placés côte à côte avec du silicium, réduisant ainsi le nombre de transistors et la puissance requise par le circuit. C'est quelque chose que vous pourriez utiliser aujourd'hui, quelque chose que vous pourriez vendre à Radio Shack, dit Reed. Cela a une chance de changer totalement l'économie du silicium.

Pour en faire une réalité, Reed, Tour et des chimistes de la Pennsylvania State University ont cofondé une startup appelée Molecular Electronics. Le groupe refuse de dire quels seront les produits initiaux, mais Tour dit qu'avoir un système fonctionnel dans quelques années ne semble pas irréaliste.

Jusqu'à très récemment, cette prédiction aurait semblé farfelue. Mais au cours de la dernière année, le domaine a fait un bond de la théorie au domaine de la pratique. Comme leurs concurrents à Yale et Rice, une collaboration de chimistes et d'informaticiens de la côte ouest de Hewlett-Packard et de l'Université de Californie à Los Angeles, a récemment caractérisé des molécules capables d'agir comme des commutateurs électroniques et de la mémoire (voir le numéro précédent : Computing After Silicon , TR septembre/octobre 1999). R. Stanley Williams, qui dirige l'effort chez HP, dit que son équipe prévoit de construire un prototype d'un circuit logique qui intègre un petit nombre de dispositifs moléculaires à l'échelle nanométrique d'ici 18 mois. Nous avons les commutateurs et les fils, les composants pour créer de véritables nanocircuits, explique Williams.

La recette

En théorie, au moins, l'assemblage d'un dispositif électronique moléculaire est simple. Dans la version de la recette privilégiée par la collaboration HP/UCLA, les scientifiques réalisent d'abord une monocouche unique des bonnes molécules organiques dans un appareil chimique appelé cuve de Langmuir ; ils plongent ensuite un substrat de silicium recouvert d'un motif d'électrodes métalliques dans la gouttière. Si la chimie est juste, les molécules se lieront aux électrodes métalliques, s'orientant proprement. Un deuxième jeu d'électrodes est alors déposé sur les molécules ; le résultat est une monocouche de molécules organiques prises en sandwich entre des électrodes métalliques.

Le défi est que la plupart des molécules organiques ne sont pas du tout des conducteurs électriques, sans parler des propriétés électroniques qui leur permettent de fonctionner comme un interrupteur efficace. Ce qui est nécessaire pour que le système fonctionne électroniquement, ce sont des molécules spécialement conçues qui s'allument et s'éteignent à plusieurs reprises de manière fiable et détectable (les propriétés qui ont fait le succès du silicium). Trouver des molécules capables de faire l'affaire est le domaine des sorciers de la chimie comme Rice's Tour et James Heath et Fraser Stoddart de l'UCLA.

Leur magie a commencé à porter ses fruits l'automne dernier. Tout d'abord, le groupe HP/UCLA a publié un article décrivant ce qui est en fait un fusible moléculaire - un commutateur unique basé sur une molécule organique complexe en forme d'haltère appelée rotaxane ; les scientifiques ont par la suite réalisé des interrupteurs réversibles. Ils ont également montré comment l'appareil pouvait exécuter des fonctions logiques et de mémoire simples. En quelques mois, la collaboration Yale/Rice a rivalisé cet exploit en décrivant la synthèse d'autres molécules organiques qui agissent comme des dispositifs électroniques.

Malgré les différences de particularités moléculaires, les deux groupes de recherche tirent parti des mêmes effets quantiques qui pourraient éventuellement fixer des limites fondamentales aux semi-conducteurs en silicium. Les molécules séparant les deux électrodes bloqueraient normalement le passage du courant. Dans le nanomonde des molécules individuelles, cependant, les électrons peuvent traverser une barrière qui, selon la physique classique, devrait bloquer leur chemin. En manipulant une tension placée aux bornes des électrodes, les scientifiques peuvent ajuster le taux d'effet tunnel et ainsi activer ou désactiver le courant.

Reed a déjà commencé à réfléchir à des moyens d'utiliser des dispositifs moléculaires en combinaison avec du silicium conventionnel. Un type de porte logique quantique que Reed a récemment construit remplirait, par exemple, la même fonction spécialisée que sept transistors au silicium beaucoup plus gros, réduisant considérablement la taille et la consommation d'énergie d'un circuit intégré. Et tandis que la fabrication de transistors conventionnels nécessite un traitement complexe et coûteux, le dispositif moléculaire peut être collé sur le circuit, explique Reed.

Les molécules pourraient également fournir une mémoire électronique ultra-bon marché avec des propriétés intéressantes. Le type le plus courant de mémoire à semi-conducteurs est appelé DRAM, pour mémoire vive dynamique. (Il s'agit de la mémoire à court terme sur laquelle votre ordinateur s'appuie lorsqu'il exécute un programme.) Le problème avec la DRAM est que les informations stockées s'évaporent lorsque l'alimentation est coupée, car elles sont volatiles. C'est la raison pour laquelle vous devez démarrer Windows à chaque fois que vous allumez votre ordinateur, en déplaçant le programme de votre disque dur vers les puces DRAM. Mais un dispositif moléculaire expérimental fabriqué par Reed l'automne dernier conserve des données pendant plus de 10 minutes après la mise hors tension. Supposons que nous puissions obtenir cela jusqu'à plusieurs années, dit Reed. Il s'agirait essentiellement d'une mémoire non volatile. Imaginez combien de fois vous n'auriez pas à démarrer Windows.

Bien que ces premières applications soient bien loin des ordinateurs moléculaires à milliard de transistors que les passionnés envisagent, elles pourraient montrer la valeur des molécules organiques en tant que matériau électronique. Ils sont un nez de chameau sous la tente, explique Reed, ajoutant que ces appareils hybrides sont déjà très réalistes. Ils sont la première étape vers des circuits [moléculaires] plus complexes.

Cependant, le chemin risque d'être long. Même un simple ordinateur composé de composants moléculaires est dans au moins une décennie, et seulement si nous devenons vraiment intelligents, reconnaît Williams. Mais le chimiste de HP dit que son groupe est déjà en route. Dans leurs prototypes initiaux, les chercheurs californiens ont fabriqué les fils métalliques supérieur et inférieur sous forme de grilles perpendiculaires, créant une structure en barre transversale avec les molécules assises aux jonctions des fils. Jusqu'à présent, le groupe a fabriqué des appareils avec des contacts métalliques de plusieurs milliers de nanomètres de diamètre ; il y a des millions de molécules à chaque jonction. Mais Williams dit que plus tard cette année, le groupe s'attend à avoir des fils mesurant quelques nanomètres de diamètre. Cela n'avait pas de sens de tout faire dur tout de suite. Nous avons donc utilisé des fils beaucoup plus gros. Maintenant, nous faisons les expériences pour passer à des fils plus petits et faire les mesures.

Les candidats presque parfaits pour de tels fils minuscules sont des structures connues sous le nom de nanotubes de carbone. Ces tuyaux de forme régulière, de quelques nanomètres de diamètre seulement, pourraient être d'excellents conduits pour les électrons passant à toute vitesse dans un circuit moléculaire. Le problème est que les nanotubes ont tendance à se former comme un désordre enchevêtré, loin des réseaux soigneusement ordonnés nécessaires pour fabriquer des circuits complexes. Construire des structures avec des nanotubes est désormais une forme d'art, explique le physicien Paul McEuen de l'Université de Californie à Berkeley. En gros, nous les jetons par terre et cherchons [la structure] que nous voulons.

Le groupe HP/UCLA est convaincu qu'il résoudra le problème de câblage. A terme, des nanotubes seront utilisés. Leurs propriétés électroniques et physiques sont si souhaitables, dit Williams. Pour l'instant, dit-il, le groupe travaille également sur des nanofils de silicium. Et, promet Williams, avec ou sans nanotubes de carbone, d'ici la fin de l'été, les scientifiques réduiront les jonctions des dispositifs à moins de 10 nanomètres. Les cibles à court terme sont une mémoire 16 bits de 100 nanomètres de côté, et peu de temps après, un dispositif logique de taille similaire. Ces circuits rudimentaires ne menacent peut-être pas le règne du silicium, mais ils pourraient constituer une étape importante pour aider à prouver que l'électronique moléculaire est réalisable.

Mais vient ensuite la partie vraiment intimidante : transformer ces dispositifs simples en circuits logiques complexes et les intégrer dans un ordinateur réel. L'une des pénalités que vous payez pour fabriquer de la microélectronique basée sur la chimie est que, contrairement aux puces de silicium fabriquées dans des usines de fabrication de haute technologie, les dispositifs moléculaires synthétisés dans des cuves de produits chimiques seront intrinsèquement pleins de défauts. À l'échelle des molécules individuelles, la chimie est soumise à des fluctuations statistiques - parfois cela fonctionne et parfois non. Mais c'est ici que les scientifiques de HP/UCLA soutiennent qu'ils ont fait leur percée la plus importante.

Leur réponse : un logiciel qui pallie les défauts. Il y a plusieurs années, les informaticiens de HP ont construit un superordinateur appelé Teramac, utilisant des puces de silicium défectueuses si défectueuses qu'elles étaient considérées comme sans valeur. Les scientifiques de HP ont bricolé ces puces rejetées dans un ordinateur en développant une architecture crossbar qui permet de connecter n'importe quelle entrée avec n'importe quelle sortie. Une fois le matériel construit, l'ordinateur a été programmé pour identifier et contourner les défauts. Le système a fonctionné et son parallélisme massif a fourni un archétype que les scientifiques californiens prévoient d'utiliser pour leur ordinateur moléculaire.

Un chimiste travaillant sur un ordinateur est une chose bizarre. Vous ne pouvez pas aller chez un chimiste et lui demander de construire un ordinateur, explique Heath, l'un des scientifiques de l'UCLA qui aide à synthétiser les composants nécessaires. Mais, dit-il, l'architecture Teramac a fourni au groupe HP/UCLA une cible clairement définie. Le logiciel en fera une machine, dit Heath. Cet ordinateur moléculaire est peut-être loin, reconnaît-il. Mais il n'y a aucune raison pour que cela ne fonctionne pas.

Le monde entre

Alors que des gens comme Heath sont optimistes, la technologie a sa part de sceptiques. Le domaine de l'électronique moléculaire est amoureux de lui-même, déclare Rick Lytel, informaticien chez Sun Microsystems. Malgré son scepticisme, Lytel garde un œil attentif sur le terrain pour Sun et développe des spécifications pour tester et évaluer des prototypes de dispositifs moléculaires. Il pense que l'électronique moléculaire pourrait éventuellement trouver des utilisations comme dispositifs de mémoire. Mais Lytel dit que beaucoup de ses collègues dans le domaine se sont illusionnés en pensant qu'ils ne sont qu'à quelques pas du marché.

Même les partisans des perspectives de l'électronique moléculaire ne sont pas d'accord sur le rôle que la technologie jouera dans le calcul et l'électronique. Prenez Mark Ratner, un chimiste à l'Université Northwestern qui est généralement considéré comme l'un des grands-pères du domaine. Ratner doute que les molécules entreront un jour en concurrence directe avec le silicium dans des tâches de calcul complexes. Vous voulez utiliser les molécules pour ce qu'elles font le mieux et pour compenser les lacunes du silicium, explique Ratner. En particulier, il souligne leur capacité à reconnaître et à répondre à d'autres molécules. En combinant ces fonctions avec les propriétés électroniques nouvellement développées, vous pourriez créer de minuscules capteurs et actionneurs qui détectent et réagissent intelligemment aux indices biologiques et chimiques. Cela pourrait, dit Ratner, rendre possible des biopuces implantables incorporant des capteurs et des actionneurs fabriqués à partir d'électronique moléculaire qui détectent les besoins du corps et répondent en déchargeant une dose appropriée de médicament.

Pour ce pionnier de l'électronique moléculaire, le véritable potentiel du domaine pourrait être réalisé en rapprochant le monde de la microélectronique avec le monde de la biologie et des molécules. L'électronique moléculaire, suggère Ratner, pourrait être la pièce du puzzle qui contribuera enfin à combler le fossé matériel entre la biologie et l'informatique.

Échantillonneur moléculaire Organisation Chercheurs clés Concentrer Université de technologie de Delft Cees Dekker Utilisation de nanotubes de carbone comme nanofils et dispositifs électroniques ; a construit un transistor à partir d'un seul nanotube Harvard University Charles Lieber Synthétisant des matrices de nanotubes de carbone qui peuvent servir à la fois de fils et de dispositifs électroniques Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP) ; Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Assemblage chimique de matrices de commutateurs reconfigurables pour la mémoire et la logique ; l'objectif est de construire un ordinateur moléculaire IBM Research Phaedon Avouris Etudier les propriétés des nanotubes ; a fabriqué un transistor à partir d'un seul nanotube Rice University James Tour Développement d'un ordinateur auto-assemblé avec un réseau de logique et de mémoire hautement interconnecté ; a synthétisé des molécules avec des propriétés souhaitables Université du Colorado Josef Michl Construction d'un ordinateur moléculaire; a fabriqué des molécules appropriées et des fils courts Université de Yale Mark Reed Collaborer avec l'Université Rice pour construire un ordinateur moléculaire ; a fabriqué des commutateurs moléculaires et des dispositifs de mémoire

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