Komputasi Molekuler

Bagi Mark Reed, masa depan elektronika molekuler baru saja tiba. Seorang pria perangkat yang menggambarkan dirinya sendiri, Reed, yang mengepalai departemen teknik listrik Universitas Yale, membanggakan dirinya karena memiliki kecenderungan yang sangat praktis. Tanyakan padanya tentang kemungkinan suatu hari nanti menggunakan molekul untuk menggantikan silikon di komputer yang miliaran kali lebih cepat daripada PC saat ini atau yang pas di kepala peniti, dan dia meringis. Saya tidak tahu bagaimana melakukannya. Saya rasa tidak ada yang melakukannya, katanya dengan acuh.



Tapi itu tidak meredupkan kegembiraan yang dirasakan Reed, seorang peneliti terkemuka di bidang elektronika molekuler. Menggunakan molekul yang disintesis oleh ahli kimia dari Rice University James Tour, Reed telah membuat memori elektronik dan elemen logika sederhana yang terdiri dari molekul yang berfungsi sebagai sakelar individu yang kecil. Perangkat, yang bergantung pada molekul organik kecil yang dirancang oleh ahli kimia Beras untuk memiliki sifat elektronik yang tepat, adalah eksperimen laboratorium mentah. Tapi mereka bekerja-molekul yang bertindak sebagai komponen dalam perangkat elektronik ultra-kecil yang mampu menghidupkan dan mematikan arus. Terlebih lagi, prototipe awal ini telah menunjukkan petunjuk melakukan trik memori dan logika yang tidak mungkin dilakukan dengan semikonduktor silikon.

Akhir dari Hukum Moore?

Kisah ini adalah bagian dari edisi Mei 2000 kami





hukum bahwa teknologi menggandakan
  • Lihat sisa masalah
  • Langganan

Yang paling mengesankan, kata Reed, adalah bahwa perangkat molekuler sangat mudah dan berpotensi murah untuk dibuat. Anda cukup mencelupkan wafer silikon yang dilapisi dengan elektroda logam ke dalam gelas kimia yang diisi dengan bahan kimia yang tepat dan memberikan molekul beberapa menit untuk terbentuk pada elektroda. Jika Anda cukup pintar dengan kimia, Anda dapat membujuk molekul untuk secara spontan menyesuaikan diri pada elektroda. Ini bekerja dengan indah-dan bekerja setiap saat, kata Reed.

Ini mungkin berhasil setiap saat, tetapi ada banyak kontroversi tentang apa reaksi kimia ini nantinya. Sementara orang-orang percaya sejati membayangkan sebuah dunia di mana komputer molekuler mikroskopis yang dibuat dengan biaya rendah melakukan perhitungan yang luar biasa, para skeptis berpikir bahwa bidang tersebut telah kehilangan pandangan dunia nyata dari batas-batas teknik. Sementara itu, orang-orang perangkat seperti Reed berpikir masa depan-dalam bentuk prototipe yang bisa diterapkan yang dapat diintegrasikan dengan teknologi silikon konvensional-sekarang.

Keuntungan inti dari komputasi molekuler adalah potensi untuk mengemas sirkuit yang jauh lebih banyak ke dalam microchip daripada yang mampu dilakukan oleh silikon—dan melakukannya dengan murah. Pembuat semikonduktor sekarang dapat menjejalkan sekitar 28 juta transistor pada sebuah chip dengan mengecilkan fitur terkecil dari transistor hingga sekitar 180 nanometer (sepersejuta meter). Namun, menggunakan metode pembuatan chip konvensional, semakin kecil fitur yang Anda buat, semakin mahal dan sulit prosesnya. Banyak ahli semikonduktor meragukan metode fabrikasi komersial dapat secara ekonomis membuat transistor silikon jauh lebih kecil dari 100 nanometer. Dan bahkan jika pembuat chip dapat menemukan cara yang masuk akal untuk mengetsanya ke dalam chip, komponen silikon ultra kecil mungkin tidak akan berfungsi: Pada dimensi transistor sekitar 50 nanometer, elektron mulai mematuhi hukum kuantum ganjil, berkeliaran di mana mereka berada. tidak seharusnya.



Molekul, di sisi lain, hanya berukuran beberapa nanometer, memungkinkan chip yang mengandung miliaran bahkan triliunan sakelar dan komponen. Dalam percobaan awal, para ilmuwan telah mengapit sejumlah besar molekul di antara elektroda logam. Perangkat bekerja, bagaimanapun, karena setiap molekul beroperasi sebagai saklar. Jika mungkin untuk menghubungkan sejumlah kecil molekul bersama-sama sebagai komponen elektronik individu untuk membentuk sirkuit, hasilnya akan mengubah segalanya dalam desain komputer. Memori molekuler dapat memiliki kepadatan penyimpanan jutaan kali lipat dari chip semikonduktor terbaik saat ini, sehingga memungkinkan untuk menyimpan pengalaman seumur hidup dalam gadget seukuran jam tangan. Superkomputer bisa cukup kecil dan cukup murah untuk dimasukkan ke dalam pakaian. Kekhawatiran bahwa teknologi komputasi akan segera menabrak tembok akan hilang.

Aplikasi-aplikasi itu sudah mati selama beberapa dekade—jika itu terwujud. Namun, Reed berpendapat, beberapa penggunaan elektronik molekuler bisa segera dilakukan. Perangkat molekuler yang sangat kecil dan murah dapat duduk berdampingan dengan silikon, mengurangi jumlah transistor dan daya yang dibutuhkan oleh rangkaian. Ini adalah sesuatu yang dapat Anda gunakan hari ini, sesuatu yang dapat Anda jual di Radio Shack, kata Reed. Ini memiliki kesempatan untuk benar-benar mengubah ekonomi silikon.

Untuk mewujudkannya, Reed, Tour, dan ahli kimia dari Pennsylvania State University bersama-sama mendirikan startup bernama Molecular Electronics. Grup menolak untuk mengatakan apa produk awalnya, tetapi Tour mengatakan memiliki sistem kerja dalam beberapa tahun tampaknya tidak realistis.

Sampai baru-baru ini, prediksi itu tampaknya tidak masuk akal. Namun dalam satu tahun terakhir, bidang tersebut telah melakukan lompatan dari teori ke ranah praktik. Seperti pesaing mereka di Yale and Rice, kolaborasi kimiawan dan ilmuwan komputer Pantai Barat dari Hewlett-Packard dan University of California, Los Angeles, baru-baru ini mengkarakterisasi molekul yang mampu bertindak sebagai sakelar dan memori elektronik (lihat edisi sebelumnya: Computing After Silicon , TR September/Oktober 1999). R. Stanley Williams, yang mengepalai upaya di HP, mengatakan timnya mengharapkan untuk membangun prototipe sirkuit logika yang mengintegrasikan sejumlah kecil perangkat molekuler skala nano dalam waktu 18 bulan. Kami memiliki sakelar dan kabel-komponen untuk benar-benar membuat sirkuit nano yang sebenarnya, kata Williams.



Resep

Secara teori, setidaknya, merakit perangkat elektronik molekuler sangatlah mudah. Dalam versi resep yang disukai oleh kolaborasi HP/UCLA, para ilmuwan pertama-tama membuat satu lapisan tunggal molekul organik yang tepat dalam peralatan kimia yang disebut palung Langmuir; mereka kemudian mencelupkan substrat silikon yang ditutupi oleh pola elektroda logam ke dalam bak. Jika kimianya tepat, molekul akan mengikat elektroda logam, dengan rapi mengatur dirinya sendiri. Seperangkat elektroda kedua kemudian diendapkan pada molekul; hasilnya adalah lapisan tunggal molekul organik yang diapit di antara elektroda logam.

Tantangannya adalah bahwa sebagian besar molekul organik bukanlah konduktor listrik sama sekali, apalagi memiliki sifat elektronik yang memungkinkan mereka bekerja sebagai saklar yang efektif. Apa yang dibutuhkan untuk membuat sistem berfungsi secara elektronik adalah molekul yang dirancang khusus yang menyala dan mati berulang kali dengan cara yang andal dan dapat dideteksi (sifat yang membuat silikon begitu sukses). Menghasilkan molekul yang mampu melakukan trik adalah domain penyihir kimia seperti Rice's Tour dan James Heath dan Fraser Stoddart dari UCLA.

Keajaiban mereka mulai membuahkan hasil besar musim gugur yang lalu. Pertama, kelompok HP/UCLA menerbitkan sebuah makalah yang menjelaskan apa yang sebenarnya merupakan sekering molekuler-saklar satu kali berdasarkan pada molekul organik kompleks berbentuk halter yang disebut rotaxane; para ilmuwan kemudian membuat saklar reversibel. Mereka juga menunjukkan bagaimana perangkat dapat melakukan fungsi logika dan memori sederhana. Dalam beberapa bulan, kolaborasi Yale/Rice menyaingi prestasi itu dengan menggambarkan sintesis molekul organik lain yang bertindak sebagai perangkat elektronik.

Terlepas dari perbedaan dalam hal molekuler, kedua kelompok penelitian mengambil keuntungan dari efek kuantum yang sama yang pada akhirnya dapat menetapkan batas mendasar pada semikonduktor silikon. Molekul yang memisahkan dua elektroda biasanya akan menghalangi aliran arus. Namun, dalam dunia nano molekul individu, elektron dapat menembus penghalang yang, menurut fisika klasik, harus menghalangi jalannya. Dengan memanipulasi tegangan yang ditempatkan di elektroda, para ilmuwan dapat menyesuaikan tingkat tunneling dan dengan demikian menghidupkan atau mematikan arus.

Reed sudah mulai memikirkan cara untuk menggunakan perangkat molekuler dalam kombinasi dengan silikon konvensional. Salah satu jenis gerbang logika kuantum yang baru-baru ini dibangun Reed akan, misalnya, melakukan fungsi khusus yang sama seperti tujuh transistor silikon yang jauh lebih besar, secara signifikan mengurangi ukuran dan konsumsi daya sirkuit terpadu. Dan sementara pembuatan transistor konvensional membutuhkan pemrosesan yang kompleks dan mahal, perangkat molekuler dapat direkatkan ke sirkuit, kata Reed.

Molekul juga dapat menyediakan memori elektronik ultra-murah dengan beberapa sifat menarik. Jenis memori semikonduktor yang paling umum disebut DRAM, untuk memori akses acak dinamis. (Ini adalah memori jangka pendek yang diandalkan komputer Anda saat menjalankan program.) Masalah dengan DRAM adalah bahwa informasi yang disimpan menguap ketika daya dimatikan-itu mudah berubah. Itulah alasan Anda harus mem-boot Windows setiap kali Anda menyalakan komputer, memindahkan program dari hard drive Anda ke chip DRAM. Tetapi perangkat molekuler eksperimental yang dibuat Reed musim gugur lalu menyimpan data selama lebih dari 10 menit setelah listrik dimatikan. Misalkan kita bisa mendapatkannya hingga beberapa tahun, kata Reed. Ini pada dasarnya akan menjadi memori nonvolatile. Bayangkan berapa kali Anda tidak perlu mem-boot Windows.

Meskipun aplikasi awal ini jauh dari komputer molekul miliar transistor yang dibayangkan para penggemar, mereka dapat menunjukkan nilai molekul organik sebagai bahan elektronik. Mereka adalah hidung unta di bawah tenda, kata Reed, menambahkan bahwa perangkat hibrida ini sudah sangat realistis. Mereka adalah langkah pertama menuju sirkuit [molekuler] yang lebih kompleks.

Namun, kemungkinan itu akan menjadi jalan yang panjang. Bahkan komputer sederhana yang terbuat dari komponen molekul setidaknya satu dekade lagi-dan hanya jika kita benar-benar pintar, Williams mengakui. Tapi ahli kimia HP mengatakan kelompoknya sudah dalam perjalanan. Dalam prototipe awal mereka, para peneliti California telah membuat kabel logam atas dan bawah sebagai kisi-kisi tegak lurus, menciptakan struktur palang dengan molekul-molekul yang berada di persimpangan kabel. Sejauh ini, grup tersebut telah membuat perangkat dengan kontak logam yang berdiameter ribuan nanometer; ada jutaan molekul di setiap persimpangan. Tetapi Williams mengatakan bahwa pada akhir tahun ini kelompok tersebut mengharapkan untuk memiliki kabel berukuran beberapa nanometer. Tidak masuk akal untuk melakukan semuanya dengan segera. Jadi kami menggunakan kabel yang jauh lebih besar. Sekarang kami melakukan eksperimen untuk beralih ke kabel yang lebih kecil dan melakukan pengukuran.

Kandidat yang hampir sempurna untuk kabel kecil seperti itu adalah struktur yang dikenal sebagai karbon nanotube. Pipa berbentuk teratur ini, hanya berdiameter beberapa nanometer, bisa menjadi saluran yang sangat baik untuk elektron yang melaju melalui sirkuit molekuler. Masalahnya adalah bahwa nanotube cenderung terbentuk sebagai kekacauan kusut-jauh dari susunan rapi yang dibutuhkan untuk membuat sirkuit kompleks. Membangun struktur apapun dengan nanotube sekarang menjadi bentuk seni, kata fisikawan Paul McEuen dari University of California, Berkeley. Kami pada dasarnya melemparkan mereka ke tanah dan mencari [struktur] yang kami inginkan.

Grup HP/UCLA yakin mereka akan menyelesaikan masalah kabel. Akhirnya nanotube akan digunakan. Sifat elektronik dan fisiknya sangat diinginkan, kata Williams. Untuk saat ini, katanya, kelompok tersebut juga sedang mengerjakan kawat nano silikon. Dan, Williams menjanjikan, dengan atau tanpa karbon nanotube, pada akhir musim panas para ilmuwan akan memperkecil sambungan perangkat menjadi lebih kecil dari 10 nanometer. Target jangka pendek adalah memori 16-bit yang berukuran 100 nanometer, dan segera setelah itu perangkat logika berukuran sama. Sirkuit yang belum sempurna ini mungkin tidak mengancam pemerintahan silikon, tetapi mereka bisa menjadi tonggak sejarah dalam membantu membuktikan bahwa elektronik molekuler layak dilakukan.

Tapi kemudian datang bagian yang benar-benar menakutkan: mengubah perangkat sederhana ini menjadi sirkuit logika yang kompleks, dan mengintegrasikannya ke dalam komputer yang sebenarnya. Salah satu hukuman yang Anda bayar untuk membuat mikroelektronika berdasarkan kimia adalah, tidak seperti chip silikon yang dibuat di pabrik fabrikasi berteknologi tinggi, perangkat molekuler yang disintesis dalam tong bahan kimia secara inheren akan penuh dengan cacat. Pada skala molekul individu, kimia diberikan pada fluktuasi statistik-terkadang berhasil dan terkadang tidak. Tetapi di sinilah para ilmuwan HP/UCLA berpendapat bahwa mereka telah membuat terobosan paling penting.

Jawaban mereka: perangkat lunak yang mengatasi cacat. Beberapa tahun yang lalu, ilmuwan komputer di HP membangun superkomputer yang disebut Teramac, menggunakan chip silikon yang cacat sehingga dianggap tidak berharga. Para ilmuwan HP memasang chip yang ditolak ini ke dalam komputer dengan mengembangkan arsitektur palang yang memungkinkan untuk menghubungkan input apa pun dengan output apa pun. Setelah perangkat keras dibuat, komputer diprogram untuk mengidentifikasi dan merutekan setiap cacat. Sistem itu berhasil—dan paralelisme masifnya memberikan pola dasar yang direncanakan para ilmuwan California untuk digunakan pada komputer molekuler mereka.

Seorang ahli kimia yang bekerja di komputer adalah hal yang aneh. Anda tidak dapat pergi ke ahli kimia dan meminta mereka untuk membuat komputer, kata Heath, salah satu ilmuwan UCLA yang membantu mensintesis komponen yang diperlukan. Namun, katanya, arsitektur Teramac telah memberikan grup HP/UCLA target yang jelas. Perangkat lunak akan mengubahnya menjadi mesin, kata Heath. Komputer molekuler itu mungkin masih jauh, dia mengakui. Tapi tidak ada alasan mengapa itu tidak akan berhasil.

Dunia Antara

Sementara orang-orang seperti Heath optimis, teknologi memiliki bagian yang meragukan. Bidang elektronika molekuler sedang jatuh cinta dengan dirinya sendiri, kata Rick Lytel, ilmuwan komputer di Sun Microsystems. Terlepas dari skeptisismenya, bagaimanapun, Lytel mengawasi dengan tajam di lapangan untuk Sun dan sedang mengembangkan spesifikasi untuk menguji dan mengevaluasi perangkat molekul prototipe. Dia percaya elektronik molekuler akhirnya bisa menemukan kegunaan sebagai perangkat memori. Tapi Lytel mengatakan banyak rekan-rekannya di lapangan telah menipu diri mereka sendiri dengan berpikir bahwa mereka hanya selangkah lagi dari pasar.

Bahkan orang-orang yang percaya pada prospek elektronik molekuler tidak setuju satu sama lain mengenai peran yang akan dimainkan teknologi dalam komputasi dan elektronik. Ambil contoh Mark Ratner, seorang ahli kimia di Universitas Northwestern yang umumnya dianggap sebagai salah satu kakek dari bidang ini. Ratner meragukan molekul akan pernah bersaing langsung dengan silikon dalam tugas komputasi yang kompleks. Anda ingin menggunakan molekul untuk melakukan yang terbaik dan untuk mengimbangi kekurangan silikon, kata Ratner. Secara khusus, ia menunjukkan kemampuan mereka untuk mengenali dan merespons molekul lain. Dengan menggabungkan fungsi-fungsi tersebut dengan properti elektronik yang baru dikembangkan, Anda dapat membuat sensor dan aktuator kecil yang mendeteksi dan bereaksi secara cerdas terhadap petunjuk biologis dan kimia. Mungkin, kata Ratner, memungkinkan biochip implan yang menggabungkan sensor dan aktuator yang terbuat dari elektronik molekuler yang merasakan kebutuhan tubuh dan merespons dengan mengeluarkan dosis obat yang sesuai.

Bagi pionir elektronika molekuler ini, potensi sebenarnya dari bidang ini dapat diwujudkan dalam menyatukan dunia mikroelektronika dengan dunia biologi dan molekul. Elektronik molekuler, saran Ratner, bisa menjadi bagian dari teka-teki yang akhirnya membantu menjembatani kesenjangan material antara biologi dan komputasi.

Sampler Molekul Organisasi Peneliti Kunci Fokus Universitas Teknologi Delft Cees Dekker Menggunakan karbon nanotube sebagai kawat nano dan perangkat elektronik; telah membangun transistor dari tabung nano tunggal Universitas Harvard Charles Lieber Mensintesis susunan tabung nano karbon yang dapat bertindak sebagai kabel dan perangkat elektronik Hewlett-Packard/UCLA R. Stanley Williams, Philip Kuekes (HP); Fraser Stoddart, James Heath (UCLA) Merakit susunan sakelar yang dapat dikonfigurasi ulang secara kimiawi untuk memori dan logika; tujuannya adalah untuk membangun komputer molekuler IBM Research Phaedon Avouris Mempelajari sifat-sifat nanotube; telah membuat transistor dari nanotube tunggal Rice University James Tour Mengembangkan komputer rakitan sendiri dengan jaringan logika dan memori yang sangat saling berhubungan; telah mensintesis molekul dengan sifat yang diinginkan Universitas Colorado Josef Michl Membangun komputer molekuler; telah membuat molekul dan kabel pendek yang sesuai Universitas Yale Mark Reed Berkolaborasi dengan Universitas Rice untuk membangun komputer molekuler; telah membuat sakelar molekuler dan perangkat memori

bersembunyi

Teknologi Aktual

Kategori

Tidak Dikategorikan

Teknologi

Bioteknologi

Kebijakan Teknologi

Perubahan Iklim

Manusia Dan Teknologi

Bukit Silikon

Komputasi

Majalah Berita Mit

Kecerdasan Buatan

Ruang Angkasa

Kota Pintar

Blockchain

Cerita Fitur

Profil Alumni

Koneksi Alumni

Fitur Berita Mit

1865

Pandangan Ku

77 Jalan Massal

Temui Penulisnya

Profil Dalam Kemurahan Hati

Terlihat Di Kampus

Surat Alumni

Berita

Pemilu 2020

Dengan Indeks

Di Bawah Kubah

Pemadam Kebakaran

Cerita Tak Terbatas

Proyek Teknologi Pandemi

Dari Presiden

Sampul Cerita

Galeri Foto

Direkomendasikan