Синтетическая биология и полупроводниковая отрасль

Biol

С целью создания гибридных биополупроводниковых систем, которые раздвинут границы информационных и коммуникационных технологий, некоммерческим консорциумом Semiconductor Research Corp (США) была запущена программа Semiconductor Synthetic Biology (SemiSynBio, SSB, полупроводниковая синтетическая биология).

Финансируемая в рамках программы Global Research Collaboration (GRC), курируемой SRC, начальная фаза проекта распределит в течение 3 лет 2,25 млн долл. исследователям из Массачусетского технологического института, Йельского университета, Технологического института Джорджии, Университета Бригама Янга,Массачусетского университета и Вашингтонского университета.

"Программа SemiSynBio соединяет электронику и биохимию, - рассказал профессор Массачусетского технологического института Рауль Сарпешкар (Rahul Sarpeshkar). - Наука о полупроводниках изучает движение электронов на больших дистанциях, а биохимия изучает движение электронов на коротких дистанциях в химических реакциях между молекулами. Поэтому когда полупроводники пройдут весь путь миниатюризации, они будут иметь дело с химией, а это лучше всего умеют делать живые клетки".

Синтетическая биология будет использована для переконструирования биологических материалов с целью применения в полупроводниках нового типа. В ближайшей перспективе - для создания специальных нитей ДНК, которые обеспечат самосборку структур чипа, которые не достижимы для традиционной литографии. Однако долгосрочной целью междисциплинарной программы является, как минимум, открытие новых типов живых клеток, которые могут быть интегрированы в гибридные биологические полупроводники. По мере развития, программа SSB будет стремиться открыть новые свойства, методики и применения для гибридных полупроводников.

"Клетки вычисляют с помощью химии, а полупроводники вычисляют с помощью транзисторов, но и те и другие управляются потоком электронов, - говорит Сарпешкар. - Понимание этого заставляет конструктора полупроводников становится конструктором ДНК".

Легко достижимая цель

Легко достижимой задачей программы будет исследование химических процессов изготовления элементов чипов молекулярных размеров, позволяющих получить элементы размером менее 5 нм, используя методы взятые из биологии. Например, ДНК будет рассматриваться как шаблон для управления самосборкой нанометровых элементов чипа - в качестве альтернативы литографическим методам удаления материала, используемым сегодня. Кодируя наноразмерные материалы с помощью ДНК так, чтобы они автоматически направлялись на участки с соответствующим кодом, программа нацелена на улучшение процента выхода годных изделий и значительное снижение количества дефектов интегральных схем - примерно к концу действия Международного плана развития полупроводников, около 2024 г.

Для проводящих метало-полупроводниковых соединений шириной менее 5 нм могут быть использованы ДНК-шаблоны для управления их самосборкой.

На рисунке сверху вниз: Раствор; внедренная ДНК; очистка электрофорезом; электролизное восстановление или гальваническое замещение формирует проводящие соединения к полупроводникам

"Уже существуют программы по изучению управляемой самосборки, где для создания масок используются большие молекулы, но применение ДНК - это более утонченный способ", - сказал Стив Хиллениус (Steve Hillenius), исполнительный вице-президент SRC.

Второй областью исследований названо цитоморфно-полупроводниковое конструирование схем, которое использует новейшие открытия клеточной биологии в новых сверхэкономичных архитектурах микрочипов. Взяв в качестве примера чрезвычайно энергоэффективную работу химических схем и методы обработки информации в живых клетках, новая цитоморфная электроника будет строиться на новых биологических подходах к созданию намного более эффективных систем аналоговых, цифровых и смешанных сигналов.

"Одной из главных целей этой программы является создание процессоров информации с энергопотреблением в 100-1000 раз меньшим чем сегодня", - сказал Виктор Жимов, директор междисциплинарных исследований GRC в SRC.

Биоэлектрические датчики

Третьей областью исследований будет изучение новых биоэлектрических датчиков, приводов и источников энергии, интегрирующих биологические материалы, включая переконструированные живые клетки, в КМОП-чипы для создания гибридных биополупроводников с лучшей чувствительностью и меньшим энергопотреблением, чем это возможно в чистой электронике.

Живые клетки могут быть использованы как фронт-энды к био-электронным датчикам, более чувствительным и экономичным, чем исключительно электронные. На рисунке: Датчики из био-электрических живых клеток: биологический фронт-энд; химическое/лекарственное стимулирование; синтетический/кремниевый бэк-энд; физиологические изменения

"Наша цель - интегрировать живые клетки в полупроводниковый чип и заставить их работать вместе - чаша Грааля, использующая живые клетки как компьютеры, - сказал Жимов. - Клетки уже являются мощными компьютерами, но только для своих собственных целей, а мы изменим их ДНК так, чтобы они вели вычисления для нас, а также действовали как двунаправленные соединения к внешней электронике".

Таким образом, SRC обеспечивает финансирование программы SemiSynBio, но Хиллениус заявил, что он ожидает дополнительных источников финансирования, таких как Национальный научный фонд, для спонсирования совместных исследований по мере развития программы.

дизайн
Компания Сансити