关键词：分子计算机；碳纳米管；DNA存储；
撰文 | Mark Peplow
编译 | 徐寒易
从50年代早期开始，电吉他就成为了音乐的中流砥柱。当时吉他手们为了配合蓝调歌手沙哑的嗓音，会故意调节扩音器里的真空管。后来的吉他手开始使用效果器（effects pedal），这是一种由硅二极管和晶体管制造的电路板。
2016年，一种全新的失真设备横空出世，这种用有机分子制造的电子结（electronic junction）宣称是世界上首个依靠“分子电子器件”制作的商业设备。而这款名叫海森堡分子破音效果器（Heisenberg Molecular Overdrive）的设备里，芳香族偶氮化合物就夹在两个电极间，电极的间距只有几纳米宽，只有当达到阈值电压时电流才能通过夹在中间的分子结。
这就是海森堡分子破音效果器
你可能无法想象，这个不起眼的分子结或许就是有望重塑未来计算机设备的基础元件。
自从晶体管被发明以来，体积已经越变越小，可出错的可能性却越来越大，即使本该处于关闭状态时，电子也可能会泄漏。而这会摧毁它们的性能、让计算能力无法实现稳定运行。
整个行业为此陷入了困境，从业者希望提出一种新的材料，能够保持硬件领域的快速增长。而单分子结的电学性能稳定，或许能取代硅的位置，成为下一代计算机的基础元件。
可在1974年就制作出分子二极管的Mark A. Ratner教授却表示，用分子电子器件制造实用的电脑还有很多困难。有大量科研人员正在从事硅基芯片的研究，他们或许会想出办法，克服电子泄漏的问题。
为了能够尽快体现出价值，也有研究人员把目光转向了混合技术。他们希望把硅和碳纳米管等分子结元件结合起来，用这些分子的化学特性执行逻辑和存储操作，而不是试图扭曲它们的电子行为来模拟硅。莱斯大学的纳米成像研究员Kevin F. Kelly表示：“不断创新找到应用的价值才有希望，因为硅设备依然在不断变得小型化。”
专注基础研究
目前已经有很多有机化合物被用来制造商业电子设备，比如发光二极管。但是这些设备的性能取决于基体材料的行为。与此相反，分子电子器件是想利用单个分子的特性来控制相隔几纳米的电极之间的电荷流动。这样，就可以用分子结元件制造密集程度更高的电路。而它比硅晶体管要小好几千倍，所以单位面积内能容纳的元件也非常有想象空间。
2015年，哥伦比亚大学的Latha Venkataraman 和 Luis M. Campos，以及劳伦斯伯克利国家实验室的Jeffrey B. Neaton研发出了新的单分子二极管。这种二极管中的电流能够自由地朝一个方向流动。他们利用一种极性溶剂，让分子的轨道对齐，从而产生出了所需的电反应。最关键的是，Venkataraman的研究和以往的单分子元件的研究不同，可重复性非常好。她的研究还揭示了电子行为的许多重要细节。
亚利桑那州立大学的Nongjian Tao也做出了许多类似的基础研究，他的发现解决了分子计算中的核心问题。在一些分子电子器件中，电子可以由量子隧道效应从一个电极跑到另一个电极上。电子的这种亚原子级别的“大变活人”把戏让它们能够穿越一道平常无法逾越的能量势垒。如果分子过长，电子就需要分几步沿着分子跳跃（hop），这有点类似电线中的常规电导。
去年，Tao的团队发现，改变一条DNA螺旋中的碱基对序列就能够转换电子在这种生物分子中流动的机制：在许多情况下，这种转换能够让电子由量子轨道式转变为跳式电导；但某些情况下，碱基对的转换能够立刻产生轨道跳跃式电导。
这些研究不仅揭示了分子电子器件的关键信息，还间接引领了计算领域的突破。比如，一种被称为可变电阻式存储器（RRAM）的新型存储器芯片就是受相关研究的启发。研究人员意识到，在某些分子电子器件中，电流实际上并不是通过分子实现流动的，而是沿着纳米级的金属丝极移动的。在电极间会出乎意料地长出这种丝极。Crossbar公司利用这种效应研发出了一种RRAM，它能够利用丝极的存在与否将数据储存为二进制代码中的1和0。这家公司表示，它们生产的RRAM比传统闪存的运行速度更快，所需电压更低，并且在今年早期开始特许芯片制造商利用该项技术。
工业资助的研究企业半导体研究公司（Semiconductor Research Corp.）的首席科学家Victor Zhirnov也表示，“分子电子器件的进展对电阻式存储器的研发绝对是有利的。”
碳纳米管也是其中一种
想要改善硅电子器件的性能，制造更小的部件并不是唯一的出路。虽然半导体行业急切寻求相关技术，从而满足延长移动设备电池寿命的目标，但从另一个角度想，改善能效，也是一条不错的路。
芯片制造商也希望增加设备的运算能力。而在过去的10年里这个数值几乎没有增长。部分原因是因为电子在硅片上的迁移率比较差，而这就限制了电脉冲通过晶体管的速度，使运算速度变慢。
不幸的是，大多数材料要么能够快速传输电荷，要么能耗比较低，无法同时做到这两点。碳纳米管（CNT）却能兼而有之，因为它们非常细，直径只有1纳米左右，电荷迁移率页非常高，且只需要很小的电压就能操作开关。Mitra表示，如果把晶体管看作是水管，那么你只要站在水管上面就能止水。
在石英基片上使用碳纳米管可以提高计算机性能
2013年，Mitra和同事（包括麻省理工学院的Max M. Shulaker）出品了第一台CNT计算机，它是用178个CNT晶体管制造的，已经能够运行简单的程序。当时，他的团队在石英基片上制造CNT，然后再把这个基片挪到硅片上。到2014年，这些研究人员已经能够在每微米的晶体管上紧密排放100个CNT了。这是首个性能能和硅晶体管媲美的设备。
看到成功的案例后，IBM的研究团队在2015年也展示了一种更好粘合CNT和金属电极的方法，利用这种方法可以解决长久以来在接触点存在高电阻的问题。Mitra认为，问题的关键在于意识到CNT并不能单打独斗。“我们还不能完全抛弃硅，而是需要通过新的研究加强它的性能。”
可行的未来
有人说，分子可能无法替代硅处理器，但是它们却是内存应用的未来。硅技术完美适用于短期的数据储存，因为它能够以高速电流读写数据。但是如果要储存全世界每天产生的天量的数据，硅存储器就显得价格高昂而体积笨重了。
还有一种非常有前景的替代手段，就是在DNA中储存数据，用碱基对的模式来编码0和1。Zhirnov预计，用这种方式储存的比特密度非常高，1千克DNA就能满足全球的数据储存需求。他说，“这是我能想到的解决数据爆炸的唯一方案。”如果存储得当，DNA将非常耐用。因为这是我们基因组的基础，所以读取DNA的技术——DNA测序仪在未来就不可能被淘汰。
微软以及华盛顿大学的研究人员将200兆字节的数据（包括100本书和一段高清音乐视频）储存到了小小的一点DNA（红色部分）中，创下了新记录
在过去的几年里，研究人员成功地将莎翁的十四行诗以及全集储存到了DNA中。2016年7月，微软以及华盛顿大学的研究人员将200兆字节的数据（包括100本书和一段高清音乐视频）储存到了小小的一点DNA中，创下了新记录。这个DNA里包含了超过15亿对碱基对。
虽然这只是人类基因组的一半大小，但是这个储存着数据的DNA是用较短的股制作的，因为这样比较容易合成。研究人员在每150对碱基对的末尾添加了识别序列，这样就可以找到特定的数据组块。读取数据就是简单的DNA测序，纠错软件可以识别假信号，因此这种存储方法比用同样的方式进行的人类DNA测序要更为可靠。
DNA数据存储的主要难点是成本和速度。要想进行归档储存的话，磁带依旧还是最便宜的介质。虽然它的速度比闪存要慢很多，但是每秒还是能传输数百兆字节的数据。这就好比每秒读写10亿DNA碱基。如果没有新的大规模并行系统化学手段，想要做到这点是不可能的。
华盛顿大学的研究团队成员Luis Ceze并不认为DNA会代替电脑中的存储器。他表示：“但是我有信心它能代替磁带一类的归档媒体。” Zhirnov预计，未来五年里研究人员能够制造出DNA存储器原型机，到2030年可能会制造出实用的相关设备。他说：“DNA存储并没有看起来那么遥不可及。”当然，用分子结制造的计算机也有可能近在眼前。
原文链接：http://cen.acs.org/articles/95/i4/Rebooting-molecular-computer.html
Rebooting the molecular computer
联系客服
