Micro Systèmes n°99 jui/aoû 1989
Micro Systèmes n°99 jui/aoû 1989
  • Prix facial : 30 F

  • Parution : n°99 de jui/aoû 1989

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : Société Parisienne d'Edition

  • Format : (203 x 271) mm

  • Nombre de pages : 188

  • Taille du fichier PDF : 156 Mo

  • Dans ce numéro : grandes écoles... du clavier au charbon.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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FENETRE SUR Entrée 1 Donneur 1 Barrière Receveur 1 0,001 micron Donneur 2 Barrière Receveur 2 Entrée 2 Sortie Fig. 1. - Une porte moléculaire NON-ET commandée par un faisceau laser. (Source : centre d'électronique moléculaire de l'université de Syracuse.) conducteurs est insuffisante telle que nous la connaissons pour les fabriquer, que ferons-nous alors ? Quelle technologie va-t-on pouvoir employer ? L'électronique moléculaire Si l'électronique telle que nous la connaissons ne fonctionne pas à l'échelle moléculaire, une électronique d'un type différent devrait fonctionner. Les atomes et les molécules échangent, se partagent et transportent des électrons en permanence. Les électrons peuvent passer d'un atome situé à un bout d'une molécule à un autre atome situé quelque part ailleurs. Le déplacement des électrons peut changer les propriétés fondamentales d'une molécule, par exemple sa faculté de conduire l'électricité ou d'absorber la lumière sur une certaine longueur d'onde. Les chercheurs commencent à utiliser ces phénomènes dans la construction de dispositifs électroniques moléculaires (MED Molecular Electronic Device). Richard Potember et ses collègues du Laboratoire de Physique Appliquée de l'université John Hopkins ont mis au point un interrupteur composé d'atomes de cuivre et d'une molécule 146 - MICRO-SYSTEMES organique appelée tétracyanoquinodiméthane (TCNQ) combinés dans un film très fin. Des impulsions à haute tension ou des impulsions de lumière laser appliquées à ce film plient et redressent les atomes de cuivre par rapport à la molécule TCNQ. Le film devient ainsi tantôt conducteur tantôt non conducteur. Le Centre d'électronique moléculaire de l'université de Syracuse (CME), sous la direction du Dr Robert Birge, est en train de mettre au point une mémoire RAM à grande vitesse basée sur l'utilisation d'une molécule appelée bactoriorhodopsine. C'est une forme bactérienne d'un pigment photosensible que l'on trouve dans l'oeil humain. Des impulsions de lumière laser transforment cette molécule d'une forme en une autre. Elle fonctionne alors comme un interrupteur à bascule avec un temps de basculement de 3 ps. Est-il possible de construire un circuit logique à l'échelle moléculaire ? La figure 1 représente un élément moléculaire NON-ET mis au point au Centre d'électronique moléculaire de l'université de Syracuse (CME) ; cela ressemble à un levier triangulaire avec deux branches et un manche. Chaque branche est une entrée, le manche est la sortie (Une porte NON-ET est une porte logique dont la sortie est à 1 si une des entrées est à 0). Cette porte est une molécule unique complexe de seulement 4 nm de longueur (c'est la taille d'une molécule d'hemoglobine). Cette porte est aussi rapide qu'elle est petite. Son temps de déclenchement est trop petit pour pouvoir être mesuré (moins d'une femtoseconde) et elle refait une opération en 3 ps. A titre de comparaison, les vitesses des portes dans un Cray sont de environ 12ns, c'est-à-dire 10 000 fois moins rapides. Dans votre ordinateur de catégorie moyenne, ces vitesses sont encore vingt fois moins rapides. Le contact : un problème Une des barrières fondamentales sur le chemin de l'électronique moléculaire est le problème du contact. Comment entrer en contact ? Comment se « brancher » sur quelque chose d'aussi petit ? Des fils moléculaires peuvent être fabriqués à partir de torons de molécules conducteurs d'électricité. Cependant, parce que les fils en question sont aussi gros que le composant moléculaire, le pro- Juillet/Août 1989
blème reste le même. Une manière peut-être plus élégante de résoudre le problème est le couplage optique en utilisant un rayon laser comme un « fil » de lumière. On peut faire beaucoup de choses avec le laser, son rayon peut être aussi fin que le fil le plus fin et aussi rapide que la porte NON-ET de CME. Les couplages optiques possèdent d'autres avantages que j'exposerai plus tard. La porte électronique moléculaire représentée sur la figure 1 ne fait que 4 nm de longueur. Elle est couplée optiquement, c'est-à-dire que les signaux sont lus en entrée et en sortie avec des rayons laser et non pas avec des fils. Chacune des trois parties de la porte (les deux entrées et la sortie) absorbe la lumière d'une longueur d'onde différente. L'entrée se fait par des impulsions lasers éclairant la porte. La sortie est lue au moyen d'un laser passant à travers la porte. Si la lumière passe, le signal de sortie est 1, si elle ne passe pas, le signal est O. Chaque branche d'entrée de la porte est composée d'un accepteur et d'un donneur séparés par une barrière. Quand il n'y a pas de donnée appliquée à la porte, chaque donneur transfère un électron sur son accepteur. Le comportement de la sortie est modifié par la présence de ces deux électrons à proximité. Lorsqu'une des deux entrées est frappée par un rayon laser de la longueur d'onde voulue, l'électron est retransféré de l'accepteur sur le donneur. Si les deux entrées sont frappées en même temps par un rayon laser, les deux électrons sont transférés simultanément de la section de sortie et son environnement devient instable. Il en résulte que la bande d'absorption de la sortie (la longueur d'onde de lumière qu'elle absorbe) passe dans la plage d'absorption du laser de sortie et la lumière de celui-ci est bloquée. Il n'est pas nécessaire de focaliser le rayon sur une entrée ou sur une sortie, la porte étant plus petite que le rayon. L'adresse de la porte est définie optiquement avec différentes longueurs d'ondes de lumière et non pas dans l'espace par des « fils » différents. De ce fait, la porte peut être placée n'importe où à l'intérieur d'un MED (dispositif électronique moléculaire) donné et les entrées et les sorties de la porte peuvent être placées à n'importe quel endroit de la molécule. La figure 2 représente un MED de 4 bits couplé optiquement et disposant de quatre entrées et de quatre sorties laser. Chaque canal entrée/sortie cor- Juillet/Août 1989 respond à un faisceau laser de longueur d'onde différente. L'entrée est assurée par les quatre lasers impulsionnels (10 à 13). La sortie est assurée par quatre lasers continus (00 à 03). Le signal de sortie est lu par une rangée de diodes photosensibles. L'objectif n°1 combine les différents rayons et distribue la lumière résultante sur l'ensemble du MED. La lentille n°2 focalise à nouveau le rayon de lumière. Enfin, le prisme le redécompose entre toutes ses composantes. Les faisceaux laser n'agissent que sur les entrées/sorties du MED. Probabilités et protéines Les protéines moléculaires dissipent peu de chaleur, elles peuvent être implantées de façon beaucoup plus dense que les portes en silicium. Elles sont cependant nettement plus sensibles aux défauts de fabrication et aux phénomènes quantiques, comme par le comportement imprévisible des électrons individuels. Une manière évidente de résoudre ce problème est la redondance, c'està-dire l'utilisation d'un ensemble de milliers de portes identiques fonctionnant en parallèle comme un composant unique. On établit la moyenne des signaux de sortie et on filtre les perturbations statistiques et les défauts de fonctionnement des composants (dans le domaine de l'électronique modulaire, l'utilisation de milliers de molécules en un seul dispositif est appelée technologie de masse). Le couplage optique rend facile cette opération de mise en parallèle et d'établissement de moyenne. Un laser peut illuminer 1000 molécules aussi facilement qu'une seule (même plus facilement en réalité). Et comme nos portes NON-ET bloquent la lumière laser quand elles se déclenchent, notre ensemble de portes NON-ET produira une quantité mesurable de lumière laser, même si seulement 90% des portes ont fonctionné normalement. En commençant avec des composants aussi petits, on est moins gêné aux entournures : 100 000 portes moléculaires NON-ET se logent encore confortablement dans un microncarré. Même ainsi, certains penseront que la nécessité d'une redondance aussi importante anéantit l'avantage des circuits électroniques moléculaires par rapport aux semi-conducteurs. Robert Binge pense que ce n'est pas le cas. En fait, il pense que les lasers et la technique de traitement informatique par ensemble pourraient rendre les ordinateurs plus gros au cours des dix prochaines années. Il exprime ainsi sa pensée : « L'électronique moléculaire ne va pas nous amener un petit ordinateur. Mais cela va nous donner un ordinateur plus rapide. » La vitesse est selon lui un objectif en soi. Cependant, tout le monde n'est pas d'accord pour abandonner l'idée d'un ordinateur de taille moléculaire (un nano-ordinateur). Par une sorte de renversement quantique, Robert Bate de Texas Instruments a transformé le phénomène d'errance des électrons en une solution au problème. Il construit un dispositif dans lequel la déviation des électrons (qui intervient avec des composants trop près les uns des autres) peut être mis en action ou bien coupé. En maîtrisant un phénomène quantique comme l'errance des électrons, Bate pense qu'il peut mettre au point une électronique moléculraire qui sera plus fiable et moins perturbée (par les parasites électroniques) que les semi-conducteurs. Cette électronique nouvelle pourrait aussi rendre possible une augmentation colossale de la densité des composants, plus d'un million de fois la densité actuelle, avec une augmentation proportionnelle de la vitesse. Tableau de diodes Lent* 1 Lentille 2 r>nsme Fig. 2, - 8 faisceaux laser passent au travers des contrôles moléculaires, la résultante est reçue par une rangée de diodes. MICRO-SYSTEMES - 147



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