Domino-databrikker

I prinsippet kan du lage en datamaskin med bare dominobrikker, sier kavliprisvinner Donald Eigler. Brikkene gjenskaper han med molekyler av kullos.

Donald Eigler og kollegene hans på IBM Almaden Research Center i California arbeider for å utvikle elektroniske kretser som bruker mange ganger mindre strøm og tar tilsvarende mindre plass enn de kraftigste datakretsene i bruk nå.

Hva dette kan utnyttes til, setter bare fantasien grenser for. Men det vil trolig vil ta minst 20 år før denne teknologien er vanlig i datamaskiner, sier Eigler til forskning.no.

Molekyl-manipulering

For å klare en slik miniatyrisering, utnytter Eigler og kollegene hans omtrent de samme metodene som i 1989 gjorde det mulig for ham å plassere 35 enkeltatomer av grunnstoffet Xenon slik at de dannet bokstavene IBM.

Donald Eigler forklarer hvordan molekylet av kullos (karbonmonoksyd) kan brukes til å lage en kaskade. Til venstre: Tre kullosmolekyler (blå/hvite) ligger i en metastabil V-form. Til høyre: Etter en tid løsner bunnen i V-en, og impulsen forplanter seg til neste kullos-triplett. (Foto: Arnfinn Christensen)
Donald Eigler forklarer hvordan molekylet av kullos (karbonmonoksyd) kan brukes til å lage en kaskade. Til venstre: Tre kullosmolekyler (blå/hvite) ligger i en metastabil V-form. Til høyre: Etter en tid løsner bunnen i V-en, og impulsen forplanter seg til neste kullos-triplett. (Foto: Arnfinn Christensen)

I 2002 plasserte en av Eiglers nære kolleger på IBM Almaden, Chris Lutz, tre molekyler av karbonmonoksyd i en V-form på et underlag av kobber.

Karbonmonoksyd er bedre kjent som den giftige gassen kullos.

Kullos-kaskade

Det han da oppdaget, var at de tre molekylene var ustabile over tid. Etter et minutt eller så ble V-formen ødelagt ved at molekylene skilte lag.

- Chris var utdannet innen datateknologi ved Caltech, og han visste akkurat hva han ville gjøre med dette fenomenet, sa Eigler i foredraget.

Chris Lutz ville plassere kullos-molekylene etter hverandre i lange rekker.

Når V-formen sprakk opp, ville impulsen forplante seg fra molekyl til molekyl i en kaskade, omtrent som når dominobrikker på rekke dytter hverandre overende.

Byggesteiner av logikk

Med slike kullos-molekyler ville Lutz bygge verdens minste logikk-krets.

Logikk-kretser er byggesteinen i mikroprosessoren, der datamaskinen gjør utregninger.

Men hvordan virker en slik logikk-krets, og hvordan kan den gjøre utregninger?

En logikk-krets består oftest av to signaler inn og ett signal ut. Ta for eksempel utsagnene: “Sola skinner” og “Det er varmt”. De kan kombineres med ordene “OG” eller “ELLER”, for eksempel: “Sola skinner OG det er varmt”.

Den logiske operatoren “OG” krever at begge utsagnene må være sanne for at kombinasjonen skal være sann: Sola må skinne, OG det må være varmt .

ELLER-operatoren er litt snillere. Det er nok at bare ett av utsagnene er sanne for at kombinasjonen skal være sann: “Sola skinner ELLER det er varmt”.

Strømventiler

I en vanlig datamaskin går det strøm gjennom de ørsmå elektriske ledningene. Hvis det går strøm gjennom en ledning, tilsvarer det et sant utsagn. Går det ikke strøm, tilsvarer det et usant utsagn.

I datamaskinen utgjøres de logiske kretsene av transistorer, som virker som en slags strømventiler. Strømmen slipper bare gjennom hvis det er elektrisk spenning på begge inngangene.

Dette tilsvarer logisk OG: Begge inngangene må ha elektrisk spenning; begge utsagnene må være sanne.

Denne prinsippskissen av en transistor viser hvordan to ledninger inn (venstre side) begge må ha spenning for at det skal gå strøm i ledningen ut (til høyre). Det tilsvarer det logiske OG. Begge utsagn må være sanne for at OG-kombinasjonen skal være sann: Sola må skinne OG det må være varmt. (Figur: Arnfinn Christensen)
Denne prinsippskissen av en transistor viser hvordan to ledninger inn (venstre side) begge må ha spenning for at det skal gå strøm i ledningen ut (til høyre). Det tilsvarer det logiske OG. Begge utsagn må være sanne for at OG-kombinasjonen skal være sann: Sola må skinne OG det må være varmt. (Figur: Arnfinn Christensen)

Regning er logikk

Ved hjelp av hundrer av millioner av transistorer kan slike OG-porter og andre mer kompliserte logiske kretser til sammen utføre store regneoperasjoner i mikroprosessoren.

Den regner bare med to tall, én og null. “Én” tilsvarer sant, eller at det går strøm. “Null” tilsvarer usant, eller at det ikke går strøm.

Multiplikasjon ligner for eksempel mye på en OG-port. “En ganger en er lik en” tilsvarer “Sant OG sant er lik sant”, mens “En ganger null er lik null” tilsvarer “Sant OG usant er lik usant”.

Addisjon, subtraksjon og andre regnearter kan utføres ved mer sammensatte logiske operasjoner. Maskinen er så lynrask at tallknusingen likevel går unna.

At datamaskiner kan regne, vet alle som bruker regneark. Men regneark er ikke det eneste programmet som krever utregninger.

Alt datamaskinen hjelper oss med, fra å redigere og legge ut bilder på Facebook til å svare på e-post, er kodet som tall: én og null.

Holder hodet kaldt

Problemet med å bruke transistorer til tallknusing er at hvis de plasseres for tett, vil det lekke strøm mellom ledningene på grunn av det som kalles kvante-tunneleffekten.

Og varmen fra transistorene blir så intens at selv kraftige kjølevifter får problemer.

Men kullosmolekyler i dominorekker kan holde hodet kaldt i datahjernen. De bruker mye mindre strøm, og kan fungere som logiske kretser. Hvordan?

Domino-velt

Domino-brikker har lett for å velte. Tenk deg at en stående dominobrikke tilsvarer “USANT”, mens en veltet brikke tilsvarer “SANT”.

Tenk deg så to parallelle rader med brikker, som møtes et sted der fremme. Det er nok at du dytter til og velter den ene ELLER den andre av radene, så vil veltingen forplante seg videre etter møtestedet. Dette tilsvarer logisk ELLER.

Slik kan ELLER-porten lages med dominobrikker. (Figur: Arnfinn Christensen)
Slik kan ELLER-porten lages med dominobrikker. (Figur: Arnfinn Christensen)

Å lage en OG-port med dominobrikker er litt mer komplisert. Eigler viste hvordan du må lage to kryssende rekker for å få det til. Likevel er disse dominorekkene av kullos-molekyler så små at gevinsten framfor vanlige elektriske kretser blir enorm.

- Denne teknologien kan gjøre alt som en vanlig datamaskin kan gjøre. Den kan også sørge for lagring av data, sa Eigler i sitt foredrag.

Kullos-krets

Han viste fram den største datakretsen de har laget på denne måten. Den bestod av 541 kullos-molekyler. Kretsen har tre innganger, og kan blant annet lage logisk OG og ELLER ut fra disse tre inngangene.

Donald Eigler viser fram den største logiske kretsen laget med kullos-molekyler, i alt 541 fordelt over 12 x 17 nanometer. (Foto: Arnfinn Christensen)
Donald Eigler viser fram den største logiske kretsen laget med kullos-molekyler, i alt 541 fordelt over 12 x 17 nanometer. (Foto: Arnfinn Christensen)

- Dette er den overlegent minste logiske kretsen som noensinne har vært bygget, så langt jeg vet, sa Eigler.

Flatemålet er 12 ganger 17 nanometer, altså 12 ganger 17 milliondels millimeter. Dermed blir den mange ganger mindre enn dagens mest tettpakkede integrerte kretser. Energiforbruket er også tilsvarende lavere.

- Tenk deg en bærbar PC med mange ganger mer datakraft enn dagens bærbare. Hva kunne du bruke den til? Forhåpentlig ville den ikke ha et Microsoft operativsystem, sa Eigler til latter fra auditoriet i Georg Sverdrups hus på Blindern i Oslo.

Lenker

Donald Eiglers nettside på IBM Almanden Research Center
Molecule Cascades, artikkel i Science fra 2002
 

Powered by Labrador CMS