用單分子做邏輯元件，碳基要在計算機領域取代硅基？

關鍵詞：分子計算機；碳納米管；DNA存儲；

撰文 | Mark Peplow

編譯 | 徐寒易

從50年代早期開始，電吉他就成為了音樂的中流砥柱。當時吉他手們為了配合藍調歌手沙啞的嗓音，會故意調節擴音器里的真空管。後來的吉他手開始使用效果器（effects pedal），這是一種由硅二極體和晶體管製造的電路板。

2016年，一種全新的失真設備橫空出世，這種用有機分子製造的電子結（electronic junction）宣稱是世界上首個依靠「分子電子器件」製作的商業設備。而這款名叫海森堡分子破音效果器（Heisenberg Molecular Overdrive）的設備里，芳香族偶氮化合物就夾在兩個電極間，電極的間距只有幾納米寬，只有當達到閾值電壓時電流才能通過夾在中間的分子結。

這就是海森堡分子破音效果器

你可能無法想像，這個不起眼的分子結或許就是有望重塑未來計算機設備的基礎元件。

自從晶體管被發明以來，體積已經越變越小，可出錯的可能性卻越來越大，即使本該處於關閉狀態時，電子也可能會泄漏。而這會摧毀它們的性能、讓計算能力無法實現穩定運行。

整個行業為此陷入了困境，從業者希望提出一種新的材料，能夠保持硬體領域的快速增長。而單分子結的電學性能穩定，或許能取代硅的位置，成為下一代計算機的基礎元件。

可在1974年就製作出分子二極體的Mark A. Ratner教授卻表示，用分子電子器件製造實用的電腦還有很多困難。有大量科研人員正在從事硅基晶元的研究，他們或許會想出辦法，克服電子泄漏的問題。

為了能夠儘快體現出價值，也有研究人員把目光轉向了混合技術。他們希望把硅和碳納米管等分子結元件結合起來，用這些分子的化學特性執行邏輯和存儲操作，而不是試圖扭曲它們的電子行為來模擬硅。萊斯大學的納米成像研究員Kevin F. Kelly表示：「不斷創新找到應用的價值才有希望，因為硅設備依然在不斷變得小型化。」

專註基礎研究

目前已經有很多有機化合物被用來製造商業電子設備，比如發光二極體。但是這些設備的性能取決於基體材料的行為。與此相反，分子電子器件是想利用單個分子的特性來控制相隔幾納米的電極之間的電荷流動。這樣，就可以用分子結元件製造密集程度更高的電路。而它比硅晶體管要小好幾千倍，所以單位面積內能容納的元件也非常有想像空間。

2015年，哥倫比亞大學的Latha Venkataraman 和 Luis M. Campos，以及勞倫斯伯克利國家實驗室的Jeffrey B. Neaton研發出了新的單分子二極體。這種二極體中的電流能夠自由地朝一個方向流動。他們利用一種極性溶劑，讓分子的軌道對齊，從而產生出了所需的電反應。最關鍵的是，Venkataraman的研究和以往的單分子元件的研究不同，可重複性非常好。她的研究還揭示了電子行為的許多重要細節。

亞利桑那州立大學的Nongjian Tao也做出了許多類似的基礎研究，他的發現解決了分子計算中的核心問題。在一些分子電子器件中，電子可以由量子隧道效應從一個電極跑到另一個電極上。電子的這種亞原子級別的「大變活人」把戲讓它們能夠穿越一道平常無法逾越的能量勢壘。如果分子過長，電子就需要分幾步沿著分子跳躍（hop），這有點類似電線中的常規電導。

去年，Tao的團隊發現，改變一條DNA螺旋中的鹼基對序列就能夠轉換電子在這種生物分子中流動的機制：在許多情況下，這種轉換能夠讓電子由量子軌道式轉變為跳式電導；但某些情況下，鹼基對的轉換能夠立刻產生軌道跳躍式電導。

這些研究不僅揭示了分子電子器件的關鍵信息，還間接引領了計算領域的突破。比如，一種被稱為可變電阻式存儲器（RRAM）的新型存儲器晶元就是受相關研究的啟發。研究人員意識到，在某些分子電子器件中，電流實際上並不是通過分子實現流動的，而是沿著納米級的金屬絲極移動的。在電極間會出乎意料地長出這種絲極。Crossbar公司利用這種效應研發出了一種RRAM，它能夠利用絲極的存在與否將數據儲存為二進位代碼中的1和0。這家公司表示，它們生產的RRAM比傳統快閃記憶體的運行速度更快，所需電壓更低，並且在今年早期開始特許晶元製造商利用該項技術。

工業資助的研究企業半導體研究公司（Semiconductor Research Corp.）的首席科學家Victor Zhirnov也表示，「分子電子器件的進展對電阻式存儲器的研發絕對是有利的。」

碳納米管也是其中一種

想要改善硅電子器件的性能，製造更小的部件並不是唯一的出路。雖然半導體行業急切尋求相關技術，從而滿足延長移動設備電池壽命的目標，但從另一個角度想，改善能效，也是一條不錯的路。

晶元製造商也希望增加設備的運算能力。而在過去的10年里這個數值幾乎沒有增長。部分原因是因為電子在矽片上的遷移率比較差，而這就限制了電脈衝通過晶體管的速度，使運算速度變慢。

不幸的是，大多數材料要麼能夠快速傳輸電荷，要麼能耗比較低，無法同時做到這兩點。碳納米管（CNT）卻能兼而有之，因為它們非常細，直徑只有1納米左右，電荷遷移率頁非常高，且只需要很小的電壓就能操作開關。Mitra表示，如果把晶體管看作是水管，那麼你只要站在水管上面就能止水。

在石英基片上使用碳納米管可以提高計算機性能

2013年，Mitra和同事（包括麻省理工學院的Max M. Shulaker）出品了第一台CNT計算機，它是用178個CNT晶體管製造的，已經能夠運行簡單的程序。當時，他的團隊在石英基片上製造CNT，然後再把這個基片挪到矽片上。到2014年，這些研究人員已經能夠在每微米的晶體管上緊密排放100個CNT了。這是首個性能能和硅晶體管媲美的設備。

看到成功的案例後，IBM的研究團隊在2015年也展示了一種更好粘合CNT和金屬電極的方法，利用這種方法可以解決長久以來在接觸點存在高電阻的問題。Mitra認為，問題的關鍵在於意識到CNT並不能單打獨鬥。「我們還不能完全拋棄硅，而是需要通過新的研究加強它的性能。」

可行的未來

有人說，分子可能無法替代硅處理器，但是它們卻是內存應用的未來。硅技術完美適用於短期的數據儲存，因為它能夠以高速電流讀寫數據。但是如果要儲存全世界每天產生的天量的數據，硅存儲器就顯得價格高昂而體積笨重了。

還有一種非常有前景的替代手段，就是在DNA中儲存數據，用鹼基對的模式來編碼0和1。Zhirnov預計，用這種方式儲存的比特密度非常高，1千克DNA就能滿足全球的數據儲存需求。他說，「這是我能想到的解決數據爆炸的唯一方案。」如果存儲得當，DNA將非常耐用。因為這是我們基因組的基礎，所以讀取DNA的技術——DNA測序儀在未來就不可能被淘汰。

微軟以及華盛頓大學的研究人員將200兆位元組的數據（包括100本書和一段高清音樂視頻）儲存到了小小的一點DNA（紅色部分）中，創下了新記錄

在過去的幾年裡，研究人員成功地將莎翁的十四行詩以及全集儲存到了DNA中。2016年7月，微軟以及華盛頓大學的研究人員將200兆位元組的數據（包括100本書和一段高清音樂視頻）儲存到了小小的一點DNA中，創下了新記錄。這個DNA里包含了超過15億對鹼基對。

雖然這只是人類基因組的一半大小，但是這個儲存著數據的DNA是用較短的股製作的，因為這樣比較容易合成。研究人員在每150對鹼基對的末尾添加了識別序列，這樣就可以找到特定的數據組塊。讀取數據就是簡單的DNA測序，糾錯軟體可以識別假信號，因此這種存儲方法比用同樣的方式進行的人類DNA測序要更為可靠。

DNA數據存儲的主要難點是成本和速度。要想進行歸檔儲存的話，磁帶依舊還是最便宜的介質。雖然它的速度比快閃記憶體要慢很多，但是每秒還是能傳輸數百兆位元組的數據。這就好比每秒讀寫10億DNA鹼基。如果沒有新的大規模並行系統化學手段，想要做到這點是不可能的。

華盛頓大學的研究團隊成員Luis Ceze並不認為DNA會代替電腦中的存儲器。他表示：「但是我有信心它能代替磁帶一類的歸檔媒體。」 Zhirnov預計，未來五年里研究人員能夠製造出DNA存儲器原型機，到2030年可能會製造出實用的相關設備。他說：「DNA存儲並沒有看起來那麼遙不可及。」當然，用分子結製造的計算機也有可能近在眼前。

Rebooting the molecular computer

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