DE60203531T2

DE60203531T2 - Molekulare kreuzleitungsverriegelungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60203531T2
Application number: DE60203531T
Authority: DE
Inventors: J. Phillip KUEKES
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: US6586965B2; US20030080775A1; JP2005508064A; KR100909331B1; EP1442461A1; DE60203531D1; KR20050040829A; WO2003038833A1; JP4210596B2; EP1442461B1

Description

Die US-Regierung hat eine voll bezahlte Lizenz für diese Erfindung und unter eingeschränkten Umständen das Recht, den Patenteigner aufzufordern, anderen zu angemessenen Bedingungen eine Lizenz zu erteilen, wie es durch die Klauseln von Vertrag Nr. DABT-63-99-3-0003 festgelegt ist, der durch die Agentur für hochentwickelte Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Verteidigung (Defense Advanced Research Projects Agency) vergeben wurde.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektronische Vorrichtungen, deren Funktionslängenmaßstäbe in Nanometern gemessen werden, und insbesondere auf einen Latch zur Verwendung bei Kreuzschienenarrays, die auf gekreuzten Nanometer-Drähten basieren, die durch spannungssetzbare Schalter an den sich schneidenden Verbindungen verbunden sind.
Stand der Technik
Das Nanocomputerwesen basiert auf der Voraussetzung von Schaltern, die bei. der/den Funktionsabmessung(en) einen Nanometermaßstab aufweisen. Beispiele für eine Technologie, die beim Implementieren von Nano-Schaltern verwendet wird, sind in den folgenden Dokumenten offenbart und beansprucht: U.S.-Patentschrift 6,128,214 mit dem Titel „Molecular Wire Crossbar Memory", erteilt an Philip J. Kuekes u. a. am 3. Oktober 2000; und U.S.-Patentschrift 6,256,767 mit dem Titel „Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar Network", erteilt an Philip J. Kuekes u. a. am 3. Juli 2001, die alle an den gleichen Anmelder wie die vorliegende Anmeldung übertragen sind.
Für ein völlig allgemeines Berechnen müssen nicht nur Logikfunktionen und Speicherfunktionen vorliegen, sondern auch die Möglichkeit, eine logische Variable in einem Speicher abzulegen und dieselbe als die Eingabe für eine andere Logikfunktion wiederzuverwenden. Dies ermöglicht es, endliche Zustandsmaschinen herzustellen und somit ein vollkommen allgemeines Berechnen durchzuführen. Ein diesbezügliches Verfahren besteht darin, einen Latch zu verwenden.
Obwohl ein derartiger Latch in der Technik des allgemeinen Berechnens bekannt ist, erfordern, da sich die Technik im Jahr 2001 weiterentwickelt hat, Fortschritte in der Technik des Nanoberechnens neue Lösungsansätze zum Entwickeln einer Latchfunktionalität im Nanometerbereich.
Somit wird ein Latch benötigt, der speziell für ein Nanometerberechnen konfiguriert ist und größenmäßig mit einer Nanometer-Logik kompatibel ist.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Molekularkreuzschienenlatch bereitgestellt, der zwei Steuerdrähte und einen Signaldraht aufweist, der die zwei Steuerdrähte in einem Winkel von nicht null kreuzt, um dadurch eine Verbindung mit jedem Steuerdraht zu bilden. Jede Verbindung bildet einen Schalter, und die Verbindung weist eine Funktionsabmessung in Nanometern auf. Der Signaldraht weist selektiv zumindest zwei unterschiedliche Spannungszustände auf, die zwischen einem 0-Zustand und einem 1-Zustand liegen, wobei es eine Asymmetrie mit Bezug auf die Richtung eines Stromflusses von dem Signaldraht durch eine Verbindung verglichen mit einer anderen Verbindung gibt, derart, dass Strom, der durch eine Verbindung in den (aus dem) Signaldraht fließt, den ersten Schalter öffnen (schließen) kann, während Strom, der durch die andere Verbindung aus dem (in den) Signaldraht fließt, den anderen Schalter schließen (öffnen) kann, und wobei es eine Spannungsschwelle für ein Umschalten zwischen einem offenen Schalter und einem geschlossenen Schalter gibt.
Ein Verfahren wird bereitgestellt zum Latchen von logischen Werten auf Nanodrähte in einem Logikarray. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

(a) Bereitstellen eines Molekularkreuzschienenlatch; und
(b) Anlegen einer Sequenz von Spannungen an die zwei Steuerdrähte, die in einem Setzen der Schalter der zwei Verbindungen resultiert, derart, dass entweder der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter geschlossen ist, falls der Signaldraht eine Spannung aufwies, die eine logische 1 darstellt, oder der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geöffnet ist, falls der Signaldraht eine Spannung aufwies, die eine logische 0 darstellt, wodurch das Signal gelatcht wird.

Zweitens wird ein Verfahren bereitgestellt zum Wiederherstellen eines Spannungswerts eines Signals bei einem Nanoschalter. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

(a) Bereitstellen des Molekularkreuzschienenlatch;
(b) Latchen des Signals wie im Vorhergehenden; und
(c) Platzieren einer Spannung, die eine logische 0 darstellt, an dem ersten Steuerdraht, und einer Spannung, die eine logische 1 darstellt, an dem zweiten Steuerdraht.

Schließlich wird ein Verfahren bereitgestellt zum Invertieren eines Spannungswerts eines Signals bei einem Nanoschalter. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

(a) Bereitstellen des Molekularkreuzschienenlatch;
(b) Latchen des Signals wie im Vorhergehenden; und
(c) Platzieren einer Spannung, die eine logische 1 darstellt, an dem ersten Steuerdraht, und einer Spannung, die eine logische 0 darstellt, an dem zweiten Steuerdraht.

Bislang wurde kein Latch im Nanometerbereich vorgestellt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass ein Nanometerlatch sowohl hergestellt als auch unter Verwendung der Kreuzschiene mit anderen Schaltungen integriert wird. Ferner liefert die vorliegende Erfindung im Nanometerbereich: Latchen eines beliebigen Logiksignals, Wiederherstellung einer Logiksignalstärke, mögliche Invertierung des gelatchten Ausgangssignals und Mehrfachlatches mit sehr wenigen Taktungsverbindungen zu Schaltungen außerhalb. Die Kombination der fortschreitenden Merkmale ermöglicht die Herstellung von beliebig komplexen Logikentwürfen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung, die die Logikfunktion eines Latch zeigt;
2a und 2b sind schematische Zeichnungen, die zeigen, wie von einer Schalterdarstellung zu einer Spannungsdarstellung übergegangen wird;
3 ist eine schematische Zeichnung, die zeigt, wie von einer Spannungsdarstellung zu einer Schalterdarstellung übergegangen wird;
4 ist eine perspektivische schematische Zeichnung einer Latchkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, die zwei Steuerleitungen und eine Signalleitung aufweist, die zwei Schalter bilden;
5a und 5b sind jeweils eine schematische Darstellung eines asymmetrischen Schalters in der geöffneten ( 5a) und der geschlossenen (5b) Stellung;
6 zeigt auf einer vertikalen Skala in Volt die Spannungspegel, die einen Übergang von einer Spannungsdarstellung zu einer Schalterdarstellung für den Betrieb eines Latches betreffen;
6a zeigt auf einer vertikalen Skala in Volt einen unbedingten Öffnen-Puls und einen unbedingten Schließen-Puls;
6b zeigt auf einer vertikalen Skala in Volt einen bedingten Öffnen-Puls und einen bedingten Schließen-Puls, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
7 zeigt auf einer vertikalen Skala in Volt die Pulssequenz, um ein Bit zu latchen;
8a und 8b zeigen jeweils auf einer vertikalen Skala in Volt die Spannungspegel an dem Latch von 4, um unbedingt beide Schalter zu öffnen (8a) oder bedingt den einen oder den anderen Schalter simultan zu schließen (8b);
9a und 9b zeigen jeweils auf einer vertikalen Skala in Volt die Spannungspegel an dem Latch von 4, um einen Schalter und dann den anderen Schalter sequentiell bedingt zu schließen, als eine Alterna tive zu dem Ausführungsbeispiel, das in 8b gezeigt ist;
10 zeigt auf einer vertikalen Skala in Volt die Spannungspegel an dem Latch von 4, um logische Werte aufgrund einer Verschlechterung eines Signalpegels wiederherzustellen;
11 zeigt die Verwendung eines einzelnen Paars von Latchleitungen, um viele Latches zu steuern und dadurch getrennte logische Werte gleichzeitig auf eine große Anzahl von Nanodrähten zu latchen; und
11a ist eine Vergrößerung eines Abschnitt von 11.
Beste Ausführungen der Erfindung
Definitionen
Der Ausdruck „selbstangeordnet", wie derselbe hier verwendet wird, bezieht sich auf ein System, das von selbst aufgrund der Identität der Komponenten des Systems ein bestimmtes geometrisches Muster annimmt; das System erreicht durch die Annahme dieser Konfiguration zumindest ein lokales Minimum bezüglich seiner Energie.
Der Ausdruck „einfach konfigurierbar" bedeutet, dass ein Schalter seinen Zustand nur einmal über einen unumkehrbaren Prozess, wie z. B. eine Oxidations- oder Reduktionsreaktion, verändern kann; ein derartiger Schalter kann z. B. die Grundlage eines programmierbaren Nur-Lese-Speichers (PROM) sein.
Der Ausdruck „wieder konfigurierbar" bedeutet, dass ein Schalter seinen Zustand mehrere Male über einen umkehrbaren Prozess, wie z. B. eine Oxidation oder Reduktion, verändern kann; in anderen Worten kann der Schalter mehrere Male geöffnet und geschlossen werden, wie z. B. die Speicherbits bei einem Direktzugriffsspeicher (RAM) oder ein Farbpixel bei einer Anzeige.
Der Ausdruck „bistabil", wie derselbe bei einem Molekül angewandt wird, bedeutet ein Molekül, das zwei relativ niedrige Energiezustände aufweist, die durch eine Energie- oder Aktivierungs-) Barriere getrennt sind. Das Molekül kann entweder unumkehrbar von einem Zustand zu dem anderen umgeschaltet werden (einfach konfigurierbar) oder umkehrbar von einem Zustand zu dem anderen geschaltet werden (wieder konfigurierbar).
Mikrometerabmessungen beziehen sich auf Abmessungen, die sich in einem Größenbereich von 1 μm bis zu einigen wenigen Mikrometern bewegen.
Submikrometerabmessungen beziehen sich auf Abmessungen, die in einem Bereich von 1 μm bis zu 0,05 μm liegen.
Nanometerabmessungen beziehen sich auf Abmessungen, die in einem Bereich von 0,1 nm bis 50 nm (0,05 μm) liegen.
Mikrometer- und Submikrometerdrähte beziehen sich auf stab- oder bandförmige Leiter oder Halbleiter mit Breiten oder Durchmessern, die die Abmessungen von 0,05 bis 10 μm aufweisen, Höhen, die in einem Bereich von einigen wenigen zig Nanometern bis zu 1 μm liegen können, und Längen von mehreren Mikrometern und länger.
Vorliegende Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Latches aus Kreuzschienenschaltern herzustellen. Kreuzschienenschalter sind in den im Vorhergehenden aufgelisteten Patentanmeldungen und erteilten Patenten offenbart.
1 zeigt die logische Funktion eines Latch 10. Es gibt einen Eingang D12, einen Ausgang Q14 und eine Latchsteuerung L16, derart, dass der Zustand von L bestimmt, ob Q den gleichen logischen Wert aufweist wie D (L = 0), oder falls L = 1, dann behält Q den Wert von D zu der Zeit, wenn L von 0 zu 1 gewechselt hat. Somit Q_t = D_t, falls L = 0, und Q_t+1 = Q_t, falls L = 1. Das Signal wurde in dem letzteren Fall gelatcht.
Die Grundfunktionalität, die notwendig ist, um einen Latch herzustellen, besteht darin, zwischen einer Spannungsdarstellung eines logischen Wertes (Logik) und einer Schalterdarstellung eines logischen Wertes (Speicher) hin- und herwechseln zu können. Die 2a – 2b zeigen, wie von einer Schalterdarstellung zu einer Spannungsdarstellung übergegangen werden kann. Es ist offensichtlich, dass die gegebene Signalleitung 18 entweder auf 0 oder auf 1 gesetzt werden kann durch ein Verwenden von zwei Steuerschaltern 20, 22, von denen einer mit einer Leitung 24 verbindet, die hochzieht, und der andere mit einer Leitung 26 verbindet, die herunterzieht. Falls der Schalter 22, der herunterzieht, geschlossen ist und der andere Schalter 20 offen ist, befindet sich eine 0 an der Signalleitung 18. Falls der Schalter 20, der hochzieht, geschlossen ist und der andere Schalter 22 offen ist, dann befindet sich eine 1 an der Signalleitung 18. Der logische Wert der Schalter 20, 22 wurde zu der Spannungsdarstellung eines logischen Werts an dem Signaldraht 18 übertragen.
3 zeigt das Grundverfahren, das verwendet werden kann, um von einer Spannungsdarstellung zu einer Schalterdarstellung überzugehen. Es gibt einen Kreuzschienenschalter, der einen Schalter 28 an der Verbindung von zwei gekreuzten Drähten 30, 32 aufweist, und ein Schalter kann basierend auf der Spannungsdifferenz der Steuerleitung 30 und der Signalleitung 32 entweder geöffnet oder geschlossen werden. (Es scheint, dass die Drähte 30, 32 sich auf der gleichen Ebene befinden, in Wirklichkeit kreuzt der eine jedoch den anderen in einem Winkel von nicht null, normalerweise 90 Grad.) Es ist einfach, eine Spannung an der Signalleitung 32 zu verwenden, um einen Schalter 28 zu öffnen oder zu schließen. Dies ist die Funktion, ein Speicherbit bei einem Kreuzschienenarray zu setzen, wie es in der U.S.-Patentschrift 6,128,214, siehe oben, offenbart ist. Die Latchfunktion erfordert, dass eine einzige Spannung an einem Signaldraht 32 einen Schalter 28 öffnet und einen anderen schließt.
4 zeigt die physische Konfiguration des Latch 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Zwei Steuerdrähte 130 und 230 kreuzen einen Signaldraht 132. Die resultierenden Nanomolekularverbindungen 128, 228 sind hergestellt, um asymmetrische und entgegengesetzte Verbindungen mit dem Signaldraht 132 aufzuweisen. Die Asymmetrie der Verbindungen 128, 228 ist durch das Symbol für einen Molekularschalter gezeigt, das einen Pfeil an einem Ende und einen Kreis an dem anderen aufweist.
Jede Verbindung 128, 228 kann ein bistabiles Molekül umfassen, das von einem Zustand zu einem anderen schaltbar ist. Die Klasse von bistabilen Molekülen, die wiederholt von einem Zustand zu einem anderen und zurück geschaltet werden können, kann in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Derartige Moleküle ergeben Vorrichtungen, die RAM- (Direktzugriffsspeicher-) Vorrichtungen gleichwertig sind.
Beispiele für bistabile Moleküle, die ein Umschalten bei einer elektrochemischen Reaktion (Reduktion-Oxidation oder „Redox") durchführen, umfassen die Rotaxane, Pseudo-Rotaxane, Katenane und Spiropyrane. Derartige bistabile Moleküle können in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die Funktionalität der asymmetrischen Schalter 128, 228 ist in den 5a – 5b gezeigt. Die Funktion eines Öffnens (Schließens) eines Schalters hängt sowohl davon ab, dass die Spannung über den Schalter über einem Schwellenwert liegt, als auch von der Richtung des Stroms, die durch Pfeil 34 gezeigt ist. Falls die Spannung unter einem Schwellenwert liegt, dann ändert der Schalter seinen Zustand nicht. Falls die Spannung über einem Schwellenwert liegt, dann öffnet sich der Schalter, falls der Strom in eine Richtung fließt, oder schließt sich, falls der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt. Die Konvention, die die Richtung des Stroms (von hoher Spannung zu niedriger Spannung) mit der physischen Richtung des asymmetrischen Schalters in Beziehung setzt, ist in den 5a – 5b gezeigt. In 5a geht die Richtung des Stroms 34 in die gleiche Richtung wie der asymmetrische Schalter 128. Falls die Spannung über einem Schwellenwert liegt, dann bewirkt dies, dass sich der Schalter 128 öffnet. Umgekehrt geht in 5b die Richtung des Stroms 34 in die entgegengesetzte Richtung zu dem asymmetrischen Schalter 228. Falls die Spannung über einem Schwellenwert liegt, dann bewirkt dies, dass sich der Schalter 228 schließt.
6 veranschaulicht die Spannungspegel in dem System, die erforderlich sind, um den Betrieb des Latch 100 zu verstehen. Die gezeigten Energiepegel basieren auf der Spannungsdifferenz zwischen der Signalleitung 32 und der Steuerleitung 30. Die positivste Spannung öffnet den Schalter 28. Darunter liegen ein stark 1, bei dem es sich um den Anfangswert einer logischen 1 handelt, und ein schwach 1, bei dem es sich um den niedrigsten Wert handelt, auf den sich eine logische 1 verschlechtern darf. Entsprechend gibt es einen schwach 0, einen stark 0 und eine negativste Spannung, die den Schalter 28 schließt. Die relative Reihenfolge dieser Spannungen ermöglicht es, dass der Latch 100 wirksam ist.
6a zeigt einen unbedingten Öffnen-Puls 36 und einen unbedingten Schließen-Puls 38. Diese sind unabhängig von der Spannung an der Signalleitung 32 wirksam, solange die Signalleitung einen zulässigen logischen Wert zwischen stark 1 und stark 0 aufweist. Der Puls 36 zeigt, dass, falls die Steuerleitung 30 bezüglich einer absoluten Spannung relativ zu Masse ausreichend positiv wird, die Spannungsdifferenz über die Verbindung die Spannung erreicht, um unabhängig von der Signalleitungsspannung zu „öffnen". Der Puls 38 zeigt, dass der Schalter 28 unbedingt geschlossen wird, falls die Steuerleitung 30 ausreichend negativ relativ zu Masse wird, erneut unabhängig von der Signalleitungsspannung, solange die Signalleitung eine zulässige (zwischen logisch 0 und logisch 1) Spannung aufweist. Hierbei handelt es sich genau um das Verfahren, das verwendet wird, um Bits zur Verwendung in einem Speicher zu setzen oder rückzusetzen, oder um eine programmierbare Logikfunktion zu definieren.
Die interessierende Variation, die das Kernstück der vorliegenden Erfindung darstellt, besteht darin, dass bedingte Öffnen- oder Schließen-Pulse erzeugt werden können, wie es in 6b gezeigt ist. Der Puls 136 in 6b ist ein bedingter Öffnen-Puls. Falls der Wert an der Signalleitung 32 ein schwach 1 oder ein stark 1 ist, dann öffnet sich der Schalter 28. Falls der Wert ein schwach 0 oder stark 0 ist, dann öffnet sich der Schalter 28 nicht, da keine ausreichende Spannung über den Schalter vorliegt, um denselben zu öffnen. Der Puls 138 ist ein bedingter Schließen-Puls. Nur falls der Wert an der Signalleitung 0 ist, schließt sich der Schalter 28.
Der Latch 100 ist wirksam, weil der Schalter eine asymmetrische Tunnelverbindung bildet. Die asymmetrische Molekularschalterverbindung kann entweder mit bedingten (Latch-) Pulsen oder unbedingten Pulsen umgeschaltet werden. Die Richtung des Stromflusses 34 durch die Vorrichtung in einer Richtung wird als „nettooxidierend" betrachtet, während dieselbe in der entgegengesetzten Richtung als „nettoreduzierend" betrachtet wird; siehe 5a – 5b. Die Molekularverbindung ist durch eine scharfe, analytische oxidierende Umschaltspannung, um zu schließen, die hier „VM" genannt wird, gekennzeichnet. Alle Schalter werden vor dem Start einer Berechnung unbedingt geöffnet. Der Logikausgangsdraht weist ein variables Signal VS1 oder VS0 auf, das eine 1 bzw. eine 0 darstellt. Mit Bezugnahme auf 4 kann an den Signaldraht 132 und an die Steuerdrähte 130, 230 eine Spannung ±Vcond gelegt werden.
Das Öffnen und Schließen des Schalters 28 ist bezüglich der Spannungsvorspannung (positiv oder negativ) über die Verbindung, die den Schalter öffnet oder schließt, asymmetrisch. Dies definiert eine Polarität für den Schalter 28. Falls die beiden getrennten Steuerleitungen 130, 230 mit einer einzigen Signalleitung 132 verbunden werden, was zwei Verbindungen 128, 228 bildet, derart, dass die Polaritäten der beiden Verbindungen bezüglich der Signalleitung zueinander umgekehrt sind, dann können die beiden Verbindungen als ein Latch verwendet werden. Dieses Latchen wird durch eine Sequenz von Pulsen durchgeführt, einem unbedingten Öffnen-Puls gefolgt von bedingten Schließen-Pulsen.
7 zeigt, wie dies funktioniert, ob die Signalleitung 132 eine 1 oder eine 0 ist. Auf der linken Seite, auf der eine logische 0 an der Signalleitung 132 vorliegt, öffnet ein unbedingter Öffnen-Puls 36 den Schalter 28, und der nachfolgende bedingte Schließen-Puls 138 schließt den Schalter nur, falls das Signal eine 0 ist. Wie es jedoch bei den rechten zwei Pulsen 136, 38 gezeigt ist, führt eine Spannung einer logischen 1 an der Signalleitung 132 dazu, dass der Schalter 28 offen ist. Die Pulse 136, 38 sind derart konzipiert, dass eine schwache 0 den Schalter 28 schließen kann, jedoch eine schwache 1 den Schalter nicht schließen kann.
Die 6a, 6b und 7 veranschaulichen genannte Spannungspegel (schließen, stark 0, schwach 0, schwach 1, stark 1 und öffnen) und einen Massepegel. Obwohl die Reihenfolge in Bezug auf die genannten Spannungspegel wesentlich ist, werden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass der Massepegel relativ ist und seine Platzierung in diesen Zeichnungen nur zu Veranschaulichungszwecken dient und dadurch nicht die Erfindung einschränken soll.
Die 8 – 10 zeigen die Spannungspegel an Drähten 130, 230 und 132. Die Spannung ist in der vertikalen Richtung, mit einer höheren Spannung an dem oberen Ende, wie es angezeigt ist. Die Richtung der asymmetrischen Schalter zwischen dem Draht 132 und den Drähten 130 und 230 ist durch das Pfeil/Kreis-Symbol gezeigt, das mit Bezugnahme auf die 5a – 5b erörtert wurde. Die vertikalen gestrichelten Linien 44 zeigen die Schwellenspannung, die benötigt wird, um den Schalter zu öffnen oder zu schließen. Die vier Spannungspegel, die für den Draht 132 gezeigt sind, sind (von oben nach unten) stark 1, schwach 1, schwach 0 und stark 0. 8a zeigt die unbedingte Öffnen-Bedingung, während 8b die bedingte Schließen-Bedingung zeigt. In 8b wird der Schalter 128 geschlossen, falls der Draht 132 bei einer 1 ist, wohingegen der Schalter 228 geschlossen wird, falls der Draht 132 bei einer 0 ist. In 9a wird der Schalter 128 geschlossen, falls der Draht 132 bei einer 1 ist, wohingegen in 9b der Schalter 228 geschlossen wird, falls der Draht 132 bei einer 0 ist. In 10 werden die logischen Werte und das Latchsignal wiederhergestellt.
Die Sequenz von Spannungen ist in den 8 – 10 gezeigt. Eine Sequenz von drei oder vier getrennten Paaren von Spannungen führt dazu, dass der Wert, der sich anfangs an der Signalleitung befand, zu seinem vollen logischen Wert wiederhergestellt wird und unbegrenzt an der Signalleitung gehalten wird. Mit „Spannungspaar" sind die Spannungen an den beiden Steuerleitungen 130, 230 gemeint.
Die Spannungssequenz weist drei Schritte auf:

(1) Beide Schalter 128 und 228 unbedingt öffnen (8a).
(2) Schalter 128 bedingt schließen, falls S = 1; Schalter 228 bedingt schließen, falls S = 0 (8b).
(3) Draht 130 mit dem Spannungspegel einer logischen 1 verbinden (9a); Draht 230 mit dem Spannungspegel einer logischen 0 verbinden (9b).

Schritt 2 kann für beide Schalter simultan erfolgen, wie es in 8b gezeigt ist. Alternativ dazu kann Schritt 2 in zwei aufeinander folgenden Teilschritten erfolgen, wie es in 9a und 9b gezeigt ist, bei denen der Schalter 128 geschlossen wird, und dann der Schalter 228 geschlossen wird. Dies weist den Vorteil auf, dass das Schließen des Schalters 128 nicht den logischen Wert an dem Draht 132 stören kann, und somit unbeabsichtigt beide Schalter 128 und 228 geschlossen werden. Im Einzelnen wird, wenn der Schalter 128 bedingt geschlossen wird, der Zustand des Schalters 228 durch ein Anlegen einer Spannung, die nicht ausreichend ist, um den Zustand des Schalters 228 zu verändern, an den Steuerdraht 230 unverändert gelassen ( 9a). Ferner wird, wenn der Schalter 228 bedingt geschlossen wird, der Zustand des Schalters 128 durch ein Anlegen einer Spannung, die nicht ausreichend ist, um den Zustand des Schalters 128 zu verändern, an den Steuerdraht 130 unverändert gelassen (9b). Somit ändert der Schalter 228 seinen Zustand während des ersten Teilschritts nicht, und der Schalter 128 ändert seinen Zustand während des zweiten Teilschritts nicht, unabhängig davon, ob sich der Schalter 228 schließt oder nicht.
Die vorliegende Erfindung liefert auch eine Logikinvertierungsfunktion. Bei dem letzten Schritt (3) kann, falls durch ein Wählen, die Spannungen umzukehren, umgekehrt wird, welcher Draht hochgezogen und welcher Draht heruntergezogen wird, ein Signal durch ein Latchen desselben invertiert werden. Durch ein Setzen des Drahtes 130 auf eine Spannung einer starken logischen 0 und des Drahtes 132 auf eine Spannung einer starken logischen 1 bei Schritt 3 wird das Signal invertiert.
10 zeigt, dass ein Latch auch verwendet werden kann, um einen logischen Spannungspegel wiederherzustellen. Falls der Signalpegel, der eine logische 1 darstellt, aufgrund von Rauschen, Widerstandsverlusten oder Diodenabfall verschlechtert wird, kann die Spannung zu dem völlig korrekten Signalpegel wiederhergestellt werden, nachdem dieselbe gelatcht wurde.
Wie es in den 11 und 11a gezeigt ist, weist die vorliegende Erfindung den besonderen Vorteil auf, dass die zwei Latchsteuerleitungen 130, 230, die durch eine herkömmliche Schaltungsanordnung außerhalb der Nanoschaltung getrieben werden müssen, für eine große Anzahl von Logiksignalleitungen 132 wiederverwendet werden können. Ein einziges Paar Latchleitungen 130, 230 steuert viele Latches. Zwei Steuerleitungen 130, 230 können verwendet werden, um gleichzeitig getrennte logische Werte auf eine große Anzahl von Nanodrähten in einem Logikarray 46 zu latchen. Dies ist im Hinblick auf die Anzahl von Verbindungen mit der Außenwelt sehr effizient.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Es wird erwartet, dass der hier offenbarte Molekularkreuzschienenlatch bei Nanorechenarchitekturen Verwendung findet. Mit einem Latch können endliche Zustandsmaschinen erzeugt werden. Eine endliche Zustandsmaschine ist ausreichend leistungsfähig, um grundsätzlich jede Funktion zu berechnen. Ohne einen Latch im Nanobereich stünde nur eine kombinatorische Logik zur Verfügung, die keine absolut allgemeine Berechnung durchführen kann.

Claims

Ein Molekularkreuzschienenlatch, der zwei Steuerdrähte und einen Signaldraht aufweist, der die zwei Steuerdrähte in einem Winkel von nicht null kreuzt, um dadurch eine Verbindung mit jedem Steuerdraht zu bilden, wobei jede Verbindung einen Schalter bildet und jede Verbindung eine Funktionsabmessung in Nanometern aufweist, wobei der Signaldraht selektiv zumindest zwei unterschiedliche Spannungszustände aufweist, die zwischen einem 0-Zustand und einem 1-Zustand liegen, wobei es eine Asymmetrie mit Bezug auf die Richtung eines Stromflusses von dem Signaldraht durch eine Verbindung verglichen mit einer anderen Verbindung gibt, derart, dass Strom, der durch eine Verbindung in den oder aus dem Signaldraht fließt, den Schalter öffnen bzw. schließen kann, während Strom, der durch die andere Verbindung aus dem oder in den Signaldraht fließt, den Schalter schließen bzw. öffnen kann, und wobei es eine Spannungsschwelle für ein Umschalten zwischen einem offenen Schalter und einem geschlossenen Schalter gibt.
Der Molekularkreuzschienenlatch gemäß Anspruch 1, bei dem der Schalter durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „stark 1" bezeichnet ist, unbedingt geöffnet wird und durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „stark 0" bezeichnet ist, unbedingt geschlossen wird, wobei der „stark 1" und der „stark 0" beide über einem Schwellenpegel sind.
Der Molekularkreuzschienenlatch gemäß Anspruch 2, bei dem der Schalter durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „schwach 1" bezeichnet ist, bedingt geöffnet wird und durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, als „schwach 1" bezeichnet ist, bedingt geschlossen wird, wobei die schwachen Spannungszustände weniger stark als die starken Spannungszustände sind.
Der Molekularkreuzschienenlatch gemäß Anspruch 1, bei dem jede Verbindung ein bistabiles Molekül umfasst, um ein Umschalten von einem Zustand zu einem anderen Zustand zu ermöglichen.
Der Molekularkreuzschienenlatch gemäß Anspruch 4, bei dem das bistabile Molekül ein Umschalten zwischen einem oxidierten Zustand und einem reduzierten Zustand unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion ermöglicht.
Der Molekularkreuzschienenlatch gemäß Anspruch 5, bei dem das bistabile Molekül aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Rotaxanen, Pseudo-Rotaxanen, Katenanen und Spiropyranen besteht.
Ein Verfahren zum Latchen von logischen Werten auf Nanodrähte in einem Logikarray, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines Molekularkreuzschienenlatch, der zwei Steuerdrähte und einen Signaldraht aufweist, der die zwei Steuerdrähte in einem Winkel von nicht null kreuzt, um dadurch eine Verbindung mit jedem Steuerdraht zu bilden, wobei jede Verbindung einen Schalter bildet und jede Verbindung eine Funktionsabmessung in Nanometern aufweist, wobei der Signaldraht selektiv zumindest zwei unterschiedliche Spannungszustände aufweist, die zwischen einem 0-Zustand und einem 1-Zustand liegen, wobei es eine Asymmetrie mit Bezug auf die Richtung eines Stromflusses von dem Signaldraht durch eine Verbindung verglichen mit einer ande ren Verbindung gibt, derart, dass Strom, der durch eine Verbindung in den oder aus dem Signaldraht, den Schalter öffnen bzw. schließen kann, während Strom, der durch die andere Verbindung aus dem oder in den Signaldraht fließt, den Schalter schließen bzw. öffnen kann, und wobei es eine Spannungsschwelle für ein Umschalten zwischen einem geöffneten Schalter und einem geschlossenen Schalter gibt; und (b) Anlegen einer Sequenz von Spannungen an die zwei Steuerdrähte, die in einem Setzen der Schalter der zwei Verbindungen resultiert, derart, dass entweder der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter geschlossen ist, falls der Signaldraht eine Spannung aufweist, die eine logische 1 darstellt, oder der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geöffnet ist, falls der Signaldraht eine Spannung aufweist, die eine logische 0 darstellt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Schalter durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „stark 1" bezeichnet ist, unbedingt geöffnet wird und durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „stark 0" bezeichnet ist, unbedingt geschlossen wird, wobei der „stark 1" und der „stark 0" beide über einem Schwellenpegel sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schalter durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „schwach 1" bezeichnet ist, bedingt geöffnet wird und durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „schwach 1" bezeichnet ist, bedingt geschlossen wird, wobei die schwachen Spannungszustände weniger stark als die starken Spannungszustände sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem jede Verbindung ein bistabiles Molekül umfasst, um ein Umschalten von einem Zustand zu einem anderen Zustand zu ermöglichen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das bistabile Molekül ein Umschalten zwischen einem oxidierten Zustand und einem reduzierten Zustand unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion ermöglicht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem das bistabile Molekül aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Rotaxanen, Pseudo-Rotaxanen, Katenanen und Spiropyranen besteht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Sequenz von Spannungen drei Schritte aufweist: (a) die beiden Schalter unbedingt öffnen; (b) den ersten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 1 aufweist, und simultan den zweiten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 0 aufweist; und (c) Verbinden des Steuerdrahts, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 1 und simultanes Verbinden des zweiten Steuerdrahts, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 0.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Sequenz von Spannungen vier Schritte aufweist: (a) die beiden Schalter unbedingt öffnen; (b) den ersten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 1 aufweist, und den Zustand des zweiten Schalters durch ein Anlegen einer Spannung, die nicht ausreichend ist, um den Zustand desselben zu verändern, an den Steuerdraht, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, unverändert lassen; (c) dann den zweiten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 0 aufweist, und den Zustand des ersten Schalters durch ein Anlegen einer Spannung, die nicht ausreichend ist, um den Zustand desselben zu verändern, an den Steuerdraht, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, unverändert lassen; und (d) den Steuerdraht, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 1 verbinden und simultan den zweiten Steuerdraht, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 0 verbinden.
Verfahren zum Wiederherstellen eines geschwächten Spannungswerts eines Signals zu dem vollen Wert desselben bei einem Nanoschalter, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines Molekularkreuzschienenlatch, der zwei Steuerdrähte und einen Signaldraht aufweist, der die zwei Steuerdrähte in einem Winkel von nicht null kreuzt, um dadurch eine Verbindung mit jedem Steuerdraht zu bilden, wobei jede Verbindung einen Schalter bildet und jede Verbindung eine Funktionsabmessung in Nanometern aufweist, wobei der Signaldraht selektiv zumindest zwei unterschiedliche Spannungszustände aufweist, die zwischen einem 0-Zustand und einem 1-Zustand liegen, wobei es eine Asymmetrie mit Bezug auf die Richtung eines Stromflusses von dem Signaldraht durch eine Verbindung verglichen mit einer anderen Verbindung gibt, derart, dass Strom, der durch eine Verbindung in den oder aus dem Signaldraht fließt, den Schalter öffnen bzw. schließen kann, während Strom, der durch die andere Verbindung aus dem oder in den Signaldraht fließt, den Schalter schließen bzw. öffnen kann, und wobei es eine Spannungsschwelle für ein Umschalten zwischen einem geöffneten Schalter und einem geschlossenen Schalter gibt; und (b) Latchen des Signals durch ein Anlegen einer Sequenz von Spannungen an die zwei Steuerdrähte, die in einem Setzen der Schalter der zwei Verbindungen resultiert, derart, dass entweder der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter geschlossen ist, falls der Signaldraht eine Spannung aufweist, die eine logische 1 darstellt, oder der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geöffnet ist, falls der Signaldraht eine Spannung aufweist, die eine logische 0 darstellt; und (c) Platzieren einer Spannung, die eine logische 0 darstellt, an dem ersten Steuerdraht und eine Spannung, die eine logische 1 darstellt, an dem zweiten Steuerdraht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem der Schalter durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „stark 1" bezeichnet ist, unbedingt geöffnet wird und durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „stark 0" bezeichnet ist, unbedingt geschlossen wird, wobei der „stark 1" und der „stark 0" beide über einem Schwellenpegel sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der Schalter durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „schwach 1" bezeichnet ist, bedingt geöffnet wird und durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „schwach 1" bezeichnet ist, bedingt geschlossen wird, wobei die schwachen Spannungszustände weniger stark als die starken Spannungszustände sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem jede Verbindung ein bistabiles Molekül umfasst, um ein Umschalten von einem Zustand zu einem anderen Zustand zu ermöglichen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das bistabile Molekül ein Umschalten zwischen einem oxidierten Zustand und einem reduzierten Zustand unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion ermöglicht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das bistabile Molekül aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Rotaxanen, Pseudo-Rotaxanen, Katenanen und Spiropyranen besteht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die Sequenz von Spannungen drei Schritte aufweist: (a) die beiden Schalter unbedingt öffnen; (b) den ersten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 1 aufweist, und simultan den zweiten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 0 aufweist; und (c) Verbinden des Steuerdrahts, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 1 und simultanes Verbinden des zweiten Steuerdrahts, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 0.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die Sequenz von Spannungen vier Schritte aufweist: (a) die beiden Schalter unbedingt öffnen; (b) den ersten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 1 aufweist, und den Zustand des zweiten Schalters durch ein Anlegen einer Spannung, die nicht ausreichend ist, um den Zustand desselben zu verändern, an den Steuerdraht, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, unverändert lassen; (c) dann den zweiten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 0 aufweist, und den Zustand des ersten Schalters durch ein Anlegen einer Spannung, die nicht ausreichend ist, um den Zustand desselben zu verändern, an den Steuerdraht, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, unverändert lassen; und (d) den Steuerdraht, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 1 verbinden und simultan den zweiten Steuerdraht, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 0 verbinden.
Ein Verfahren zum Invertieren des logischen Werts eines Signals in einem Nanoschalter, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines Molekularkreuzschienenlatch, der zwei Steuerdrähte und einen Signaldraht aufweist, der die zwei Steuerdrähte in einem Winkel von nicht null kreuzt, um dadurch eine Verbindung mit jedem Steuerdraht zu bilden, wobei jede Verbindung einen Schalter bildet und jede Verbindung eine Funktionsabmessung in Nanometern aufweist, wobei der Signaldraht selektiv zumindest zwei unterschiedliche Spannungszustände aufweist, die zwischen einem 0-Zustand und einem 1-Zustand liegen, wobei es eine Asymmetrie mit Bezug auf die Richtung eines Stromflusses von dem Signaldraht durch eine Verbindung verglichen mit einer anderen Verbindung gibt, derart, dass Strom, der durch eine Verbindung in den oder aus dem Signaldraht fließt, den Schalter öffnen bzw. schließen kann, während Strom, der durch die andere Verbindung aus dem oder in den Signaldraht fließt, den Schalter schließen bzw. öffnen kann, und wobei es eine Spannungsschwelle für ein Umschalten zwischen einem geöffneten Schalter und einem geschlossenen Schalter gibt; und (b) Latchen des Signals durch ein Anlegen einer Sequenz von Spannungen an die zwei Steuerdrähte, die in einem Setzen der Schalter der zwei Verbindungen resultiert, derart, dass entweder der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter geschlossen ist, falls der Signaldraht eine Spannung aufweist, die eine logische 1 darstellt, oder der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geöffnet ist, falls der Signaldraht eine Spannung aufweist, die eine logische 0 darstellt; und (c) Platzieren einer Spannung, die eine logische 1 darstellt, an dem ersten Steuerdraht und eine Spannung, die eine logische 0 darstellt, an dem zweiten Steuerdraht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem der Schalter durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „stark 1" bezeichnet ist, unbedingt geöffnet wird und durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „stark 0" bezeichnet ist, unbedingt geschlossen wird, wobei der „stark 1" und der „stark 0" beide über einem Schwellenpegel sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 24, bei dem der Schalter durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „schwach 1" bezeichnet ist, bedingt geöffnet wird und durch einen Spannungszustand an dem Signaldraht, der als „schwach 1" bezeichnet ist, bedingt geschlossen wird, wobei die schwachen Spannungszustände weniger stark als die starken Spannungszustände sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem jede Verbindung ein bistabiles Molekül umfasst, um ein Umschalten von einem Zustand zu einem anderen Zustand zu ermöglichen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 26, bei dem das bistabile Molekül ein Umschalten zwischen einem oxidierten Zustand und einem reduzierten Zustand unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion ermöglicht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das bistabile Molekül aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Rotaxanen, Pseudo-Rotaxanen, Katenanen und Spiropyranen besteht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem die Sequenz von Spannungen drei Schritte aufweist: (a) die beiden Schalter unbedingt öffnen; (b) den ersten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 1 aufweist, und simultan den zweiten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 0 aufweist; und (c) Verbinden des Steuerdrahts, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 1 und simultanes Verbinden des zweiten Steuerdrahts, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 0.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem die Sequenz von Spannungen vier Schritte aufweist: (a) die beiden Schalter unbedingt öffnen; (b) den ersten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 1 aufweist, und den Zustand des zweiten Schalters durch ein Anlegen einer Spannung, die nicht ausreichend ist, um den Zustand desselben zu verändern, an den Steuerdraht, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, unverändert lassen; (c) dann den zweiten Schalter bedingt schließen, falls der Signaldraht eine logische 0 aufweist, und den Zustand des ersten Schalters durch ein Anlegen einer Spannung, die nicht ausreichend ist, um den Zustand desselben zu verändern, an den Steuerdraht, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, unverändert lassen; und (d) den Steuerdraht, der dem ersten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 0 verbinden und simultan den zweiten Steuerdraht, der dem zweiten Schalter zugeordnet ist, mit einem Spannungspegel einer logischen 1 verbinden.