Reading time: 5 minutes
Author:
Wetenschappers van twee Californische universiteiten hebben een geheugen met een ongekende dichtheid gemaakt. De ’chip‘ ter grootte van een witte bloedcel kan in theorie 160 kilobit opslaan. Dat is genoeg om de Amerikaanse onafhankelijkheidsverklaring op kwijt te kunnen. Maar er zit een addertje onder het gras: het geheugen barst van de defecten. Een oude supercomputer bood uitkomst.
’De dichtheid van ons geheugen is iets waar Intel pas rond het jaar 2020 over na gaat denken‘, zegt James Heath van het California Institute of Technology (Caltech). Zijn onderzoeksgroep werkte aan de fabricage van een geheugen dat bistabiele moleculen met elektronische nanodraadjes combineert. ’Het samenvoegen van moleculen en elektronica legt een onontgonnen gebied van wetenschap bloot. Het is nog niet te zien waar dit huwelijk op uit zal komen, maar wij verwachten dat de combinatie tot geheel nieuwe mogelijkheden leidt die met alleen silicium niet te doen zijn‘, voegt Amar Flood toe. Flood werkt op de University of California Los Angeles (UCLA) in de groep van Fraser Stoddart, met wie Heath samenwerkte.
Het geheugen bestaat uit drie verschillende lagen. De onderste laag bestaat uit vierhonderd silicium draadjes die parallel op een substraat geordend zijn. Ze liggen 33 nanometer uit elkaar en zijn elk 16 nanometer breed. De bovenste laag wordt ook gevormd door zo‘n patroon van nanodraadjes, maar die zijn gemaakt van titanium. De lagen liggen loodrecht ten opzichte van elkaar, zodat kruisverbindingen ontstaan. De beide nanodraadniveaus sandwichen een monolaag van moleculen, die het schakelend element in het circuit vormen.
De Amerikaanse onderzoekers namen als schakelmoleculen zogenaamde rotaxanen. Die bestaan – op moleculair niveau – uit een ringetje dat over een as is geregen. Dankzij grote ’deurstoppen‘ aan de uiteinden van de as, kan hij er niet afglijden. Het kan bovendien op twee posities op de as zitten, afhankelijk van de elektronische toestand van het geheel. De positie van de ring om de as vormt de basis voor een bit aan informatie.
Met de roosters van nanodraadjes valt de toestand van de rotaxanen te sturen door een stroompje aan te leggen. Stoddart: ’Als we een positieve spanning aanleggen, gaan ze ’aan‘. Met een negatieve spanningspuls schakelen we ze juist uit.‘ Dat vormt de basis voor het schrijven van informatie. De wetenschappers konden het geheugenschakelaar uitlezen omdat de twee toestanden van de moleculaire schakelaar elk een andere geleidbaarheid hebben.
Nature
Het bistabiele karakter van rotaxanen zoals gebruikt door Heath en Stoddart, schittert al jaren in de inleiding van wetenschappelijke artikelen over moleculaire elektronica. Maar het bleef meestal bij beloften en proofs of principle. Publicaties over werkend moleculair rekentuig zijn zeldzaam. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de groepen hun bijdrage in het gerenommeerde Nature mochten plaatsen.
Stoddart werkt al jaren aan de synthese van dit soort rotaxanen. Hij bestudeerde ook hun gedrag in oplossing, een omgeving waar chemici vertrouwd mee zijn. Maar om de bijzondere eigenschappen van de moleculen te kunnen gebruiken als basis voor informatieopslag moesten de chemici toewerken naar een omgeving die elektronici goed kennen. De vaste stof of een filterdun laagje op een oppervlak.
’In oplossing laten de moleculen zich heel makkelijk adresseren, of laten we zeggenm, ondervragen. In een vaste stof of op een oppervlak is dat veel moeilijker. Maar we hebben die moeilijkheden overwonnen‘, zegt Heath. Stoddart toont meer enthousiasme: ’Mijn dromen van tien jaar terug zijn uitgekomen.‘
Om praktische redenen konden de Californiërs niet het hele rooster van dertien bij dertien vierkante micrometer doormeten. Ze verbonden een beperkt aantal nanodraadjes aan elektrodes, waardoor slechts een deel van het geheugenoppervlak werd benut. In plaats van de volle 160 kilobit kwamen ze op 128 bit uit. Herhaling van de proeven en statistische analyse van de resultaten wees uit dat het gekozen oppervlak representatief is voor de totale geheugenchip. De onderzoekers durfden daarom toch de conclusie aan dat ze de Amerikaanse onafhankelijkheidsverklaring op hun chip kwijt kunnen en dan nog ruimte overhouden.
Bij het elektronisch testen bleek ongeveer de helft van de kruispunten in het nanodraadrooster een respons te geven. Een deel daarvan is echter niet toe te schrijven aan het veranderen van de toestand van de rotaxaan, maar aan ’parasitaire stroompjes‘, zoals de onderzoekers het zelf noemen. Dat is nauwelijks te vermijden omdat elk kruispunt natuurlijk via het rooster met alle andere kruispunten is verbonden. Stroompjes kunnen dus een omweg nemen en voor artefacten zorgen.
De onderzoekers deden hun best om de lekstroompjes te vermijden door alle draadjes te aarden die tijdens een meting ongebruikt blijven. Daarnaast spraken ze een minimale respons af, waarvan ze redelijkerwijs mochten verwachten dat het met een moleculaire schakelaar correspondeerde. Nog 25 procent van alle geteste kruispunten bleek toen bruikbaar als bit.
Zelfreparerende computer
Het moleculaire geheugen zit dus vol met fouten. Omdat de elektronenmicroscopische foto‘s geen defecten lieten zien, is slecht elektrisch contact tussen de rotaxanen en de draadjes daar vermoedelijk te oorzaak van. Het goede nieuws is dat de defecten willekeurig over het geteste oppervlak zijn verdeeld. De kruispunten opereren dus onafhankelijk van elkaar. Het slechte nieuws is dat chips normaalgesproken in de vuilnisbak verdwijnen als er ook maar één defect in zit.
Maar Heath had vaker met dat bijltje gehakt. In de jaren negentig werkte hij samen met HP aan de Teramac-supercomputer. Dat systeem bestond uit aan elkaar geschakelde FPGA‘s die vol defecten zaten. Speciaal ontwikkelde software spoorde alle 220 duizend fouten op en legde omleidingen aan. Het resultaat was een computer die honderd maal sneller was dan een top-pc verkrijgbaar in de winkel.
Wel apart, een defecte computer die zichzelf repareert. Als hij kapot is, hoe kan hij dan de berekeningen voor de omleidingen doen? Heath: ’Slechts 7 procent van de circuits moet intact zijn voor de diagnose en correctie.‘
Destijds was de ontwikkeling van de Teramac commercieel nauwelijks interessant. Het bleef goedkoper om bijvoorbeeld de vroege Pentium-modellen weg te knikkeren dan over te schakelen op zelfreparerende chips. Heath realiseerde zich echter wel de implicatie voor nano-elektronica, waarin defecten niet te vermijden zijn. Moleculaire schakelaars vereisen daarom een computerarchitectuur die daar bestand tegen is. ’Zonder zouden we geblinddoekt door het bos stommelen‘, aldus Heath.
De onderzoekers pasten dezelfde strategie toe op hun rotaxaanconstructie en maakten er een werkend geheugen mee. Ze voerden er een paar lees- en schrijfoperaties mee uit. Meer kon ook niet; na gemiddeld een half dozijn cycli gingen de moleculaire transistoren kapot. Geen enkele hield het langer dan tien keer schakelen uit.
De Amerikanen besluiten hun Nature-artikel dan ook met een aantal nuchtere kanttekeningen. Ze zeggen dat de betrouwbaarheid, schakelsnelheid en constructietechnieken nog veel te wensen over laat. Heath steekt zijn enthousiasme over de researchdoorbraak echter niet onder stoelen of banken. ’Er zijn de afgelopen vijf jaren spannende ontwikkelingen geweest. De voortgang in moleculaire elektronica gaat snel.‘
