KR100909331B1 - 분자 크로스바 래치, 나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법, 나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법 및 나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법 - Google Patents

분자 크로스바 래치, 나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법, 나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법 및 나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법 Download PDF

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Abstract

분자 크로스바 래치가 마련되어, 두 개의 제어선(130, 230)과 하나의 신호선을 포함하며, 상기 하나의 신호선은 상기 두 개의 제어선과 영(0)이 아닌 각도로 교차하여 각 제어선과의 접합(128, 228)을 형성한다. 각각의 접합은 스위치를 형성하고, 상기 각각의 접합은 나노미터의 기능적 크기를 갖는다. 상기 신호선은 0 상태 내지 1 상태를 범위로 하는 적어도 두 개의 상이한 전압 상태를 선택적으로 가지며, 한 접합을 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름의 방향에 대해 다른 접합에 비해 비대칭적이어서, 상기 신호선으로(상기 신호선으로부터) 한 접합을 통해 흐르는 전류가 각각 상기 스위치를 개방(폐쇄)할 수 있는 반면, 상기 신호선으로부터(상기 신호선으로) 상기 다른 접합을 통해 흐르는 전류는 각각 상기 스위치를 폐쇄(개방)할 수 있으며, 개방된 스위치와 폐쇄된 스위치 사이에 전환용 전압 임계값이 있다.

Description

분자 크로스바 래치, 나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법, 나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법 및 나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법{MOLECULAR CROSSBAR LATCH}
미합중국 정부는 본 발명에 대하여 실시권을 가지며, 본 발명의 소유자는 미국국방첨단연구사업소(Defense Advanced Research Projects Agency)와의 계약 번호 DABT-63-99-3-0003에 의해 설정된 합당한 조건 하에서 타인에게 실시권을 허여할 수 있는 제한된 권리를 갖는다.
본 발명은 일반적으로는 그 기능적 길이의 스케일이 나노미터로 측정되는 전자 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 교차 접점에서 전압 설정 가능 스위치(voltage-settable switches)에 의해 결합되는 교차된 나노미터 스케일 와이어(wires)에 기초하여 크로스바 어레이와 함께 사용되는 래치에 관한 것이다.
나노컴퓨팅(Nano-computing)은 스위치의 기능적 크기가 나노미터 스케일이라는 전제에 기초를 두고 있다. 나노스케일 스위치를 구현하는 데에 사용되는 기술의 예는 다음, James R. Heath 등의 이름으로, 1999년 3월 29일에 "Chemically Synthesized and Assembled Electronic Devices"라는 명칭으로 출원된 특허 출원 번호 09/292,767과, Philip J. Kuekes 등의 이름으로, 1999년 3월 29일에 "Molecular Wire Crossbar Interconnect"라는 명칭으로 출원된 특허 출원 번호 09/282,045와, Philip J. Kuekes 등의 이름으로, 1999년 3월 29일에 "Molecular Wire Crossbar Logic(MWCL)"이라는 명칭으로 출원된 특허 출원 번호 09/280,045와, 2000년 10월 3일에 Philip J. Kuekes 등에게 허여된 "Molecular Wire Crossbar Memory"라는 명칭의 미국 특허 6,128,214와, 2001년 7월 3일에 Philip J. Kuekes 등에게 허여된 "Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar Network"라는 명칭의 미국 특허 6,256,767에 개시되고 청구되는데, 이들은 모두 본 발명과 동일한 양수인에게 양도되었다.
완전범용 컴퓨팅을 위해서는, 로직 기능 및 메모리 기능을 가질 뿐 아니라, 로직 변수를 취하여 그것을 메모리에 넣을 수 있어야 하고, 그것을 다른 로직 기능으로의 입력으로서 다시 사용할 수 있어야 한다. 이것은 유한 상태 기계(finite state machines)를 구축하여, 이에 따라, 완전히 범용인 컴퓨팅을 수행할 수 있게 해 준다. 이를 이행하는 한 가지 방법은 래치를 사용하는 것이다.
이러한 래치는 일반적인 컴퓨팅분야에 잘 알려져 있으나, 그 분야는 2001년에 개발되었기 때문에, 나노컴퓨팅의 분야에서의 진보는 나노미터 스케일에서 래칭(latching) 기능성을 개발하기 위한 새로운 접근을 요구한다.
이에 따라, 나노미터 스케일 컴퓨팅을 위해 특수하게 구성되고, 크기 면에서 나노미터 스케일 로직과 호환될 수 있는 래치가 필요하다.
본 발명에 따르면, 분자 크로스바 래치가 마련되어, 두 개의 제어선과 하나의 신호선을 포함하며, 상기 하나의 신호선은 상기 두 개의 제어선과 영(0)이 아닌 각도로 교차하여 각 제어선과의 접합을 형성한다. 각각의 접합은 스위치를 형성하고, 상기 각각의 접합은 나노미터의 기능적 크기를 갖는다. 상기 신호선은 0 상태 내지 1 상태를 범위로 하는 적어도 두 개의 상이한 전압 상태를 선택적으로 가지며, 한 접합을 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름의 방향은 다른 접합을 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름 방향과 비교할 때 비대칭적이어서, 상기 신호선으로(상기 신호선으로부터) 한 접합을 통해 흐르는 전류가 제 1 스위치를 개방(폐쇄)할 수 있는 반면, 상기 신호선으로부터(상기 신호선으로) 상기 다른 접합을 통해 흐르는 전류는 제 2 스위치를 폐쇄(개방)할 수 있으며, 개방된 스위치와 폐쇄된 스위치 사이에는 전환용 전압 임계값이 존재한다.
로직 어레이에 있는 나노와이어로 로직 값을 래칭하는 방법이 제공된다. 이 방법은, (a) 분자 크로스바 래치를 제공하는 단계와, (b) 두 개의 제어선에 전압 시퀀스를 인가함으로써 신호를 래칭하여, 상기 신호선이 로직 1을 나타내는 전압을 가지면 제 1 스위치가 개방되고 제 2 스위치가 폐쇄되거나, 상기 신호선이 로직 0을 나타내는 전압을 가지면 제 1 스위치가 폐쇄되고 제 2 스위치가 개방되도록 두 개의 접합의 스위치들을 설정하는 단계를 포함한다.
두 번째로, 나노스케일 스위치에서 신호의 전압 값을 복원하는 방법이 제공된다. 이 방법은, (a) 분자 크로스바 래치를 제공하는 단계와, (b) 상기 신호를 래칭하는 단계와, (c) 로직 0을 나타내는 전압을 상기 제 1 제어선에 배치하고, 로직 1을 나타내는 전압을 상기 제 2 제어선에 배치하는 단계를 포함한다.
마지막으로, 나노스케일 스위치에서 신호의 전압 값을 반전하는 방법이 제공된다. 이 방법은, (a) 분자 크로스바 래치를 제공하는 단계와, (b) 상기와 같이 신호를 래칭하는 단계와, (c) 로직 1을 나타내는 전압을 상기 제 1 제어선에 배치하고, 로직 0을 나타내는 전압을 상기 제 2 제어선에 배치하는 단계를 포함한다.
이전의 나노미터 스케일에서는 어떠한 래치도 설명되지 못했다. 본 발명을 통해, 나노미터 스케일 래치는 크로스바를 사용하는 다른 회로와 함께 구성되고 집적될 수 있다. 또한, 본 발명은 임의의 로직 신호의 래칭, 로직 신호 강도의 복원, 래칭된 출력의 반전, 및 외부 회로에 대한 클로킹(clocking) 접속이 매우 적은 다수의 래치를 나노미터 스케일로 제공한다. 특징을 처리하는 방법의 결합은 임의의 복잡한 로직 설계의 구성을 가능하게 한다.
도 1은 래치의 로직 함수를 도시하는 개략적인 도면,
도 2a, 2b는 스위치 표시에서 전압 표시로 어떻게 진행하는지를 도시하는 개략적인 도면,
도 3은 전압 표시로부터 스위치 표시로 어떻게 진행하는지를 도시하는 개략적인 도면,
도 4는 본 발명에 따라, 두 개의 스위치를 형성하는 두 개의 제어선 및 신호선을 포함하는 래치 구성의 개략적인 도면,
도 5a, 5b는 각각 개방 위치(도 5a)와 폐쇄 위치(도 5b)에 있는 비대칭 스위치의 개략적인 표시,
도 6은 전압 표시로부터 래치의 동작을 위한 스위치 표시로의 진행을 수반하는 전압 레벨을 수직 스케일 상의 전압으로 도시한 도면,
도 6a는 무조건적인 개방 펄스와 무조건적인 폐쇄 펄스를 수직 스케일 상의 전압으로 도시한 도면,
도 6b는 본 발명의 구현에 이용되는 조건적인 개방 펄스와 조건적인 폐쇄 펄스를 수직 스케일 상의 전압으로 도시한 도면,
도 7은 비트를 래칭하는 펄스 시퀀스를 수직 스케일 상의 전압으로 도시한 도면,
도 8a, 8b는 양측 스위치를 무조건적으로 개방(도 8a)하거나 하나 또는 다른 스위치를 동시에 무조건적으로 폐쇄하게 하는 도 4의 래치 상의 전압 레벨을 각각 도시한 도면,
도 9a, 9b는 도 8b에 도시한 실시예와 다른 선택 대상으로서, 한 스위치를 조건적으로 폐쇄한 후 다른 스위치를 연속하여 조건적으로 폐쇄하는 도 4의 래치 상의 전압 레벨을 도시한 도면,
도 10은 신호 레벨의 저하 때문에 로직 값을 회복하는 도 4의 래치 상의 전압 레벨을 도시한 도면,
도 11은 많은 래치를 제어하여, 개별적인 로직 값을 동시에 매우 많은 나노와이어(nanowires)로 래칭하는 한 쌍의 래치선의 사용을 도시한 도면,
도 11a는 도 11의 부분 확장도이다.
정의(Definitions)
본 명세서에서 사용되는 "자체 조립된(self-assembled)"이라는 용어는, 시스템의 구성요소의 특성 때문에 일부의 기하학적 패턴을 본래부터 채택하고 있는 시스템을 지칭하며, 시스템은 이 구성을 채택함으로써 그 에너지에서 적어도 국부적으로 최소의 값을 달성한다.
"단일하게 구성될 수 있는(singly configurable)"이라는 용어는, 스위치가 산화 또는 환원 작용과 같이 불가역 공정을 통해 한 번만 그 상태를 변화시킬 수 있는 것을 의미하며, 이러한 스위치는 예컨대, 프로그램 가능 판독 전용 메모리(PROM)의 기초일 수 있다.
"재구성 가능한(reconfigurable)"이라는 용어는 스위치가 산화 또는 환원과 같이 가역 공정을 통해 그 상태를 여러 차례 변화시킬 수 있는 것을 의미하는 것으로, 다시 말해, 스위치는, 임의 액세스 메모리(RAM)에서의 메모리 비트 또는 디스플레이에서의 컬러 화소와 같이, 여러 차례 개방 및 폐쇄될 수 있다.
분자에 적용되는 "쌍안정의(bi-stable)"라는 용어는 분자가 에너지 장벽(또는 활성 장벽)에 의해 분리되는 두 개의 비교적 낮은 에너지 상태를 갖는 것을 의미한다. 분자는 임의의 상태에서 (단일하게 구성될 수 있는) 다른 상태로 불가역 전환되거나, 임의의 상태에서 (재구성이 가능한) 다른 상태로 가역 전환될 수 있다.
마이크론 스케일의 크기는 크기 면에서 1 마이크로미터 내지 수 마이크로 미터의 범위에 달하는 크기를 지칭한다.
서브마이크론 스케일의 크기는 1 마이크로미터로부터 0.05 마이크로미터까지 달하는 크기를 지칭한다.
나노미터 스케일의 크기는 0.1 나노미터 내지 50 나노미터(0.05 마이크로미터)의 범위에 달하는 크기를 지칭한다.
마이크론 스케일 및 서브마이크론 스케일 와이어는, 0.05 내지 10 마이크로 미터의 크기를 갖는 폭 또는 직경, 수십 나노미터 내지 마이크로미터에 달할 수 있는 높이, 및 수 마이크로미터 및 더 긴 길이를 갖는, 막대 또는 리본 형상의 도체 또는 반도체를 지칭한다.
본 발명
본 발명은 크로스바 스위치로부터 래치를 구축하게 한다. 크로스바 스위치는 상기 목록의 특허 출원 및 허여된 특허에 개시되어 있다.
도 1은 래치(10)의 로직 함수를 나타낸다. 입력(D)(12), 출력(Q)(14), 및 래치 제어(L)(16)가 있으며, L의 상태는 Q가 D(L=0)와 동일한 로직 값인지(L=0)의 여부를 결정하거나, 또는 L=1인 상태의 경우, Q는 L이 0에서 1로 변하는 때의 D의 값을 보유한다. 이에 따라, L=0이면 Qt=Dt이고, L=1이면 Qt+1=Qt이다. 신호는 후자의 경우에 래칭된다.
래치를 구축하기 위해 필수적인 기능은 로직 값의 전압 표시(로직)와 로직 값의 스위치 표시(메모리) 사이에서 전환될 수 있어야 한다는 것이다. 도 2a, 2b는 어떻게 스위치 표시로부터 전압 표시로 전환되는지를 나타낸다. 명백히, 주어진 신호선(18)은 두 개의 제어 스위치(20, 22)를 이용하여 0이나 1 중의 하나로 설정될 수 있는데, 이들 스위치 중의 하나는 풀업선(a line of pull-up)(24)에 접속되고, 다른 하나는 풀다운선(a line of pull-down)(26)에 접속된다. 풀다운 스위치(22)가 폐쇄되고, 다른 스위치(20)가 개방되면, 신호선(18)에는 0이 있을 것이다. 풀업 스위치(20)가 폐쇄되고, 다른 스위치(22)가 개방되면, 신호선(18)에는 1이 있을 것이다. 스위치(20, 22)의 로직 값은 신호선(18) 상의 로직 값의 전압 표시로 변형되었다.
도 3은 전압 표시로부터 스위치 표시로 전환시키는 데 이용될 수 있는 필요 방법을 도시한다. 이것은 두 개의 교차된 선(30, 32)의 접합에 스위치(28)를 포함하는 크로스바 스위치로서, 제어선(30)과 신호선(32)의 전압 차이에 근거하여 스위치를 개방하거나 폐쇄할 수 있다. (선(30, 32)은 동일 평면에 나타나지만, 실제로는, 하나는 영이 아닌 소정의 각도, 전형적으로는 90도로 다른 것과 교차한다.) 신호선(32) 상의 전압을 이용하여 하나의 스위치(28)를 개방하거나 폐쇄하는 것은 쉽다. 이것은, 상기 미국 특허 6,128,214에 개시된 바와 같이, 크로스바 어레이에 한 비트의 메모리를 설정하는 기능이다. 래치 기능은, 신호선(32) 상의 단일 전압이 하나의 스위치(28)를 개방하고 다른 것을 폐쇄하는 것을 필요로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 래치(100)의 물리적 구성을 도시한다. 두 개의 제어선(130, 230)은 신호선(132)과 교차한다. 생성된 나노스케일 분자 접합(128, 228)은 신호선(132)에 대해 비대칭이고 상반되는 커넥션을 갖도록 구성된다. 접합(128, 228)의 비대칭성은, 한쪽 끝은 화살표이고 다른 쪽은 원을 갖는 분자 스위치 심볼로 나타낸다.
각각의 접합(128, 228)은 한 상태에서 다른 상태로 전환 가능한 쌍안정 분자를 포함할 수 있다. 한 상태에서 다른 상태로, 또는 그 역으로 반복하여 전환될 수 있는 종류의 쌍안정 분자는 본 발명의 구현에 채용될 수 있다. 이러한 분자는 RAM 장치와 동등한 장치가 된다.
전기 화학적 반응(환원-산화 또는 "레독스(redox)")에 대한 스위칭을 수행하는 쌍안정 분자의 예는 로탁산(rotaxanes), 유사-로탁산(pseudo-rotaxanes), 카테난(catenanes), 및 스파이로피란(spiropyrans)을 포함한다. 이러한 쌍안정 분자는 본 발명의 구현에 채용될 수 있다.
비대칭 스위치(128, 228)의 기능은 도 5a, 5b에 도시한다. 스위치를 개방(폐쇄)하는 기능은 스위치에 걸리는 (임계값보다 큰) 전압과 화살표로 나타낸 전류의 방향(34) 모두에 의존한다. 전압이 임계값보다 작은 경우, 스위치는 그의 상태를 변경시키지 않을 것이다. 전압이 임계값보다 큰 경우, 전류가 한 방향이면 스위치는 개방되고, 또는 전류가 다른 방향이면 스위치는 폐쇄된다. 비대칭 스위치의 물리적 방향에 대한 전류의 방향(높은 전압에서 낮은 전압으로)의 규정(convention)은 도 5a, 5b에 도시된다. 도 5a에서, 전류(34)의 방향은 비대칭 스위치(128)와 동일한 방향이다. 전압이 임계값보다 크다면, 이것은 스위치(128)를 개방시킬 것이다. 역으로, 도 5b에는, 전류의 방향(34)은 비대칭 스위치(228)와 반대 방향이다. 전압이 임계값보다 크다면, 이것은 스위치(228)를 폐쇄시킬 것이다.
도 6은 래치(100)의 동작을 이해하는 데에 필요한 시스템에서의 전압 레벨을 나타낸다. 도시된 에너지 레벨은 신호선(32)과 제어선(30) 사이의 전압의 차이에 근거한다. 가장 큰 양의 전압은 스위치(28)를 개방시킬 것이다. 그 밑으로는 로직 1의 초기값인 강한 1과, 로직 1이 저하된 가장 작은 값인 약한 1이 있다. 상응하게, 약한 0, 강한 0, 및 스위치(28)를 폐쇄하는 가장 큰 음의 전압이 있다. 이들 전압의 상대적인 순서는 래치(100)가 기능하게 한다.
도 6a는 무조건적 개방 펄스(36)와 무조건적 폐쇄 펄스(38)를 나타낸다. 이들은, 신호선이 강한 1과 강한 0 사이에 합법적인 로직 값을 갖는 한, 신호선(32) 상의 전압에 무관하게 효과적이다. 펄스(36)는, 제어선(30)이 접지에 비해 절대 전압에서 충분히 양이 되면, 접합에 걸리는 전압 차이는 신호선 전압과 무관하게 "개방"시키는 전압에 도달한다는 것을 보여준다. 펄스(38)는, 제어선(30)이 접지에 비해 충분히 음이 되면, 신호선이 합법적인 (로직 0과 로직 1 사이의) 전압을 갖는 한, 신호선 전압과 무관하게 다시 스위치(28)가 무조건적으로 폐쇄되는 것을 나타낸다. 이것은 바로, 메모리에서 사용하기 위한 비트를 설정(set) 또는 재설정(reset)하거나, 프로그램 가능 로직 기능을 정의하는 데 사용되는 방법이다.
본 발명의 중심에 있는 관심을 끄는 변형은, 도 6b에 도시한 바와 같이 조건적 개방 또는 폐쇄 펄스를 생성할 수 있다는 것이다. 도 6b의 펄스(136)는 조건적 개방 펄스이다. 신호선(132) 상의 값이 약한 1 또는 강한 1이면, 스위치(28)는 개방될 것이다. 값이 약한 0 또는 강한 0이면, 스위치에 걸리는 전압이 스위치를 개방시킬 수 있을 정도로 충분하지 않기 때문에 스위치(28)는 개방되지 않는다. 펄스(138)는 조건적 폐쇄 펄스이다. 신호선 상의 값이 0이면, 스위치(28)는 개방된다.
래치(100)는, 스위치가 비대칭 터널 접합을 형성하기 때문에 동작한다. 비대칭 분자 스위치 접합은 조건적 (래칭) 펄스 또는 무조건적 펄스 중의 하나에 의해 전환될 수 있다. 도 5a, 5b를 참조하면, 장치를 통한 한 방향으로의 전류 흐름(34)의 방향은 "순 산화(net oxidizing)"라고 여겨지는 반면, 반대 방향에서, 그것은 "순 환원(net reducing)"이라고 여겨진다. 분자 접합은, 본 명세서에서 "VM"이라고 불리는, 폐쇄시키기 위한 날카로운 분석 산화 스위칭 전압에 의해 특징지어진다. 모든 스위치는 계산 시작 전에 무조건적으로 개방된다. 로직 출력선은 각각 1이나 0 중의 하나를 나타내는 하나의 가변 신호(VS1 또는 VS0)를 갖는다. 도 4를 참조하면, 신호선(132)과 제어선(130, 230) 상에 전압(±Vcond)이 걸릴 수 있다.
스위치(28)의 개방 및 폐쇄는 스위치를 개방시키거나 폐쇄시키는 접합에 걸리는 (양 또는 음의) 전압 바이어스에 관해 비대칭이다. 이것은 스위치(28)의 극성을 규정한다. 두 개의 접합의 극성이 신호선에 관해 서로 상반되도록 두 개의 개별 제어선(130, 230)을 단일 신호선(132)에 연결하면, 두 개의 접합은 래치로서 이용될 수 있다. 이 래칭은, 무조건적 개방 펄스 다음에 조건적 폐쇄 펄스가 뒤따르는 펄스 시퀀스에 의해 수행된다.
도 7은 신호선(132)이 1 이든 0 이든 이것이 어떻게 작동하는지를 나타낸다. 좌측으로는, 신호선(132) 상에 로직 0이 있는 경우, 무조건적 개방 펄스(36)는 스위치(28)를 개방시키고, 후속의 조건적 폐쇄 펄스(138)는 신호가 0일 때에만 스위치를 폐쇄한다. 그러나, 오른쪽의 두 펄스(136, 138)에 도시한 바와 같이, 신호선(132) 상의 로직 1 전압은 스위치(28)가 개방되게 한다. 펄스(136, 138)는, 약한 0은 스위치(28)를 폐쇄할 수 있지만 약한 1은 스위치를 폐쇄할 수 없도록 설계된다.
도 6a, 6b 및 도 7은 명명된 전압 레벨(폐쇄, 강한 0, 약한 0, 약한 1, 강한 1, 개방)과 접지 레벨을 도시한다. 명명된 전압 레벨에 관한 순서는 필요하지만, 당업자는 접지 레벨이 상대적인 것이고, 도면에서의 그 배치는 오직 도시를 목적으로 한 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.
도 8 내지 도 10은 선(130, 230, 132) 상의 전압 레벨을 나타낸다. 전압은 도시한 바와 같이, 수직 방향으로 상부에 더 높은 전압이 걸린다. 선(132)과 선(130, 230) 사이의 비대칭 스위치의 방향은, 도 5a, 5b를 참조하여 논의한 화살표 및 원형 심볼에 의해 나타내어진다. 수직 점선(44)은 스위치를 개방하거나 폐쇄하는 데 필요한 임계 전압을 나타낸다. 선(132)을 위해 도시한 4 개의 전압 레벨은 (상부로부터 바닥으로) 강한 1, 약한 1, 약한 0, 강한 0이다. 도 8a는 무조건적인 개방 조건을 도시하는 반면, 도 8b는 조건적인 폐쇄 조건을 도시한다. 도 8b에서, 선(132)이 1에 있으면 스위치(128)가 폐쇄되는 반면, 선(132)이 0에 있으 면 스위치(228)가 폐쇄된다. 도 9a에서, 선(132)이 1에 있으면 스위치(128)는 폐쇄되는 반면, 도 9b에서, 선(132)이 0에 있으면 스위치(228)는 폐쇄된다. 도 10에서, 로직 값 및 래치 신호는 복원된다.
전압 시퀀스는 도 8 내지 10에 나타낸다. 분리된 3쌍 또는 4쌍의 전압 시퀀스는 처음에 그것의 전체 로직 값으로 복원되는 신호선 상에 있고, 신호선 상에 무한정으로 유지되는 값이 된다. "전압 쌍(voltage pair)"이라는 용어는 두 제어선(130, 230)의 전압을 의미한다.
전압 시퀀스는, (1) 무조건적으로 두 스위치(128, 228)를 모두 개방(도 8a), (2) S=1이면 조건적으로 스위치(128)를 폐쇄하고, S=0이면 조건적으로 스위치(228)를 폐쇄(도 8b), (3) 선(130)을 로직 1 전압 레벨에 접속(도 9a), 선(230)을 로직 0 전압 레벨에 접속(도 9b)시키는 3단계를 갖는다.
단계 (2)는 도 8b에 도시한 바와 같은 양 스위치에 대해 동시에 이루어질 수 있다. 또한, 단계 (2)는 도 9a, 9b에 도시한 바와 같이 두 개의 연속적 서브 단계에서 이루어져, 스위치(128)가 폐쇄된 후, 스위치(228)가 폐쇄된다. 이것은 스위치(128)의 폐쇄가 선(132) 상의 로직 값을 교란할 수 없으므로, 스위치(128, 228)를 동시에 폐쇄한다는 장점을 갖는다. 특히, 스위치(128)가 조건적으로 폐쇄되면, 스위치(228)의 상태를 변화시키기에는 불충분한 전압을 제어선(230) 상에 인가함으로써 스위치(228)의 상태는 변화하지 않은 상태로 남아 있다(도 9a). 또한, 스위치(228)가 조건적으로 폐쇄되면, 스위치(128)의 상태를 변화시키기에는 불충분한 전압을 제어선(130) 상에 인가함으로써 스위치(128)의 상태는 변화하지 않은 상태 로 남아 있다(도 9b). 이에 따라, 스위치(228)는 제 1 서브 단계 동안 그 상태를 변화시키지 않으며, 스위치(128)는 스위치(228)의 폐쇄 여부와 무관하게 제 2 서브 단계 동안 그 상태를 변화시키지 않는다.
본 발명은 로직 반전 기능도 제공한다. 마지막 단계 (3)에서, 전압을 반전시키도록 선택함으로써, 선이 풀업되고 풀다운되도록 전압이 반전되면, 그것을 래칭함으로써 신호를 반전시킬 수 있다. 단계(3)에서, 선(130)을 강한 로직 0 전압으로 설정하고 선(132)을 강한 로직 1 전압으로 설정함으로써, 신호가 반전된다.
도 10은 로직 전압 레벨을 복원하는 데에도 사용될 수 있는 래치를 나타낸다. 잡음, 저항 손실, 또는 다이오드 강하 때문에 로직 1을 나타내는 신호 레벨이 저하되면, 전압은 래칭된 후에 완전히 보정된 신호 레벨로 복원될 수 있다.
도 11, 11a에 도시한 바와 같이, 본 발명은, 나노스케일 회로 외부의 통상적인 회로류에 의해 구동되어야 하는 두 개의 래치 제어선(130, 230)이 많은 로직 신호선(132)을 위해 다시 사용될 수 있다는 특별한 이점을 갖는다. 한 쌍의 래치선(130, 230)이 많은 래치를 제어한다. 두 개의 제어선(130, 230)은 개별적인 로직 값을 로직 어레이(46)에 있는 많은 나노선에 동시에 래칭하는 데 사용될 수 있다. 이것은 외부 세계와의 커넥션의 개수에 대하여 매우 효율적이다.
본 명세서에 개시한 분자 크로스바 래치는, 나노 스케일 컴퓨팅 구조에서 사용되는 것이 기대된다. 래치로, 유한 상태 기계를 구성할 수 있다. 유한 상태 기 계는 원칙적으로 임의의 함수를 계산할 수 있을 정도로 충분히 강력하다. 나노스케일의 래치가 없다면, 조합 로직만을 가져, 전체적으로 일반적인 계산을 할 수 없다.

Claims (30)

  1. 두 개의 제어선과 영(0)이 아닌 각도로 상기 두 개의 제어선과 교차하여 각 제어선과의 접합부를 형성하는 하나의 신호선을 포함하는 분자 크로스바 래치에 있어서,
    각각의 접합부는 스위치를 형성하고, 상기 각각의 접합부는 0.1 나노미터 내지 50 나노미터 범위의 나노미터 스케일 크기를 가지며,
    상기 신호선은 0 상태 내지 1 상태를 범위로 하는 적어도 두 개의 상이한 전압 상태를 선택적으로 가지며,
    상기 신호선으로 또는 상기 신호선으로부터 한 접합부를 통해 흐르는 전류가 상기 스위치를 제각기 개방 또는 폐쇄할 수 있는 한편, 상기 신호선으로부터 또는 상기 신호선으로 상기 다른 접합부를 통해 흐르는 전류는 상기 스위치를 제각기 폐쇄 또는 개방할 수 있도록 상기 한 접합부를 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름의 방향은 상기 다른 접합부를 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름 방향과 비교할 때 비대칭적이고,
    개방된 스위치와 폐쇄된 스위치 사이에는 전환용 전압 임계값이 존재하는
    분자 크로스바 래치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치는 "강한 1"로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 무조건적으로 개방되고, "강한 0"으로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 무조건적으로 폐쇄되며, 상기 "강한 1"과 상기 "강한 0"은 모두 임계 레벨 위에 존재하는
    분자 크로스바 래치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스위치는 상기 신호선 상의 전압 상태가 "약한 1"로 표시된 경우에 개방되고, 상기 신호선 상의 전압 상태가 "약한 0"으로 표시된 경우 폐쇄되며, 상기 약한 전압 상태는 상기 강한 전압 상태보다 강하지 않은
    분자 크로스바 래치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 접합부는 임의의 상태에서 다른 상태로 전환을 가능하게 하는 쌍안정 분자를 포함하는
    분자 크로스바 래치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 쌍안정 분자는 전기 화학적 반응을 이용하여 산화 상태와 환원 상태 사 이에서 전환되는
    분자 크로스바 래치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 쌍안정 분자는 로탁산(rotaxanes), 유사-로탁산(pseudo-rotaxanes), 카테난(catenanes), 및 스파이로피란(spiropyrans)으로 구성된 그룹으로부터 선택된
    분자 크로스바 래치.
  7. 로직 어레이에 있는 나노와이어상으로 로직 값을 래칭하는 방법에 있어서,
    (a) 두 개의 제어선과 영(0)이 아닌 각도로 상기 두 개의 제어선과 교차하여 각 제어선과의 접합부를 형성하는 하나의 신호선을 포함하는 분자 크로스바 래치를 제공하는 단계―각각의 접합부는 스위치를 형성하고, 상기 각각의 접합부는 0.1 나노미터 내지 50 나노미터 범위의 나노미터 스케일 크기를 가지며, 상기 신호선은 0 상태 내지 1 상태를 범위로 하는 적어도 두 개의 상이한 전압 상태를 선택적으로 가지며, 상기 신호선으로 또는 상기 신호선으로부터 한 접합부를 통해 흐르는 전류가 상기 스위치를 제각기 개방 또는 폐쇄할 수 있는 한편, 상기 신호선으로부터 또는 상기 신호선으로 다른 접합부를 통해 흐르는 전류는 상기 스위치를 제각기 폐쇄 또는 개방할 수 있도록 상기 한 접합부를 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름의 방향은 상기 다른 접합부를 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름 방향과 비교할 때 비대칭적이며, 개방된 스위치와 폐쇄된 스위치 사이에는 전환용 전압 임계값이 존재함―와,
    (b) 상기 두 개의 제어선에 전압 시퀀스를 인가하여, 상기 신호선이 로직 1을 나타내는 전압을 가질 때 제 1 스위치는 개방되고 제 2 스위치는 폐쇄되거나, 또는 상기 신호선이 로직 0을 나타내는 전압을 가질 때 상기 제 1 스위치는 폐쇄되고 상기 제 2 스위치는 개방되도록 상기 두 접합부의 상기 스위치를 설정하는 단계를 포함하는
    나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 "강한 1"로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 무조건적으로 개방되고, "강한 0"으로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 무조건적으로 폐쇄되며, 상기 "강한 1"과 상기 "강한 0"은 모두 임계 레벨 위에 존재하는
    나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 "약한 1"로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 개방되고, "약한 0"으로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 폐쇄되며, 상기 약한 전압 상태는 상기 강한 전압 상태보다 강하지 않은
    나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 각각의 접합부는 임의의 상태에서 다른 상태로 전환을 가능하게 하는 쌍안정 분자를 포함하는
    나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 쌍안정 분자는 전기 화학적 반응을 이용하여 산화 상태와 환원 상태 사이에서 전환되는
    나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 쌍안정 분자는 로탁산(rotaxanes), 유사-로탁산(pseudo-rotaxanes), 카테난(catenanes), 및 스파이로피란(spiropyrans)으로 구성된 그룹으로부터 선택된
    나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 전압 시퀀스를 인가하는 단계는,
    (a) 상기 양 스위치를 무조건적으로 개방하는 단계와,
    (b) 상기 신호선이 로직 1을 가지면 상기 제 1 스위치를 폐쇄하고, 동시에, 상기 신호선이 로직 0을 가지면 상기 제 2 스위치를 폐쇄하는 단계와,
    (c) 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선을 로직 1 전압 레벨에 접속하고, 동시에, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제 2 제어선을 로직 0 전압 레벨에 접속하는 단계를 포함하는
    나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 전압 시퀀스를 인가하는 단계는,
    (a) 상기 양 스위치를 모두 무조건적으로 개방하는 단계와.
    (b) 상기 신호선이 로직 1을 가지면 상기 제 1 스위치를 폐쇄하고, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제어선 상에 상기 제 2 스위치의 상태를 변화시키기에는 불충분한 전압을 인가하여 상기 제 2 스위치의 상기 상태가 변화하지 않은 상태로 남아 있게 하는 단계와,
    (c) 그 후, 상기 신호선이 로직 0을 가지면 상기 제 2 스위치를 폐쇄하고, 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선 상에 상기 제 1 스위치의 상태를 변화시키기에는 불충분한 전압을 인가하여 상기 제 1 스위치의 상기 상태가 변화하지 않은 상태로 남아 있게 하는 단계와,
    (d) 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선을 로직 1 전압 레벨에 접속하고, 동시에, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제 2 제어선을 로직 0 전압 레벨에 접속하는 단계를 포함하는
    나노와이어 상으로의 로직 값 래칭 방법.
  15. 나노스케일 스위치에서, 신호의 약해진 전압 값을 그것의 완전한 값(full value)으로 복원하는 방법에 있어서,
    (a) 두 개의 제어선과 영(0)이 아닌 각도로 상기 두 개의 제어선과 교차하여 각 제어선과의 접합부를 형성하는 하나의 신호선을 포함하는 분자 크로스바 래치를 제공하는 단계―각각의 접합부는 스위치를 형성하고, 상기 각각의 접합부는 0.1 나노미터 내지 50 나노미터 범위의 나노미터 스케일 크기를 가지며, 상기 신호선은 0 상태 내지 1 상태를 범위로 하는 적어도 두 개의 상이한 전압 상태를 선택적으로 가지며, 상기 신호선으로 또는 상기 신호선으로부터 한 접합부를 통해 흐르는 전류가 상기 스위치를 제각기 개방 또는 폐쇄할 수 있는 한편, 상기 신호선으로부터 또는 상기 신호선으로 다른 접합부를 통해 흐르는 전류는 상기 스위치를 제각기 폐쇄 또는 개방할 수 있도록 상기 한 접합부를 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름의 방향은 상기 다른 접합부를 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름 방향과 비교할 때 비대칭적이며, 개방된 스위치와 폐쇄된 스위치 사이에는 전환용 전압 임계값이 존재함―와,
    (b) 상기 두 개의 제어선에 전압 시퀀스를 인가함으로써 상기 신호를 래칭하여, 상기 신호선이 로직 1을 나타내는 전압을 가질 때 제 1 스위치는 개방되고 제 2 스위치는 폐쇄되거나, 또는 상기 신호선이 로직 0을 나타내는 전압을 가질 때 상기 제 1 스위치는 폐쇄되고 상기 제 2 스위치는 개방되도록 상기 두 접합부의 상기 스위치를 설정하는 단계와,
    (c) 로직 0을 나타내는 전압을 상기 제 1 제어선 상에 배치하고, 로직 1을 나타내는 전압을 상기 제 2 제어선 상에 배치하는 단계를 포함하는
    나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 "강한 1"로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 무조건적으로 개방되고, "강한 0"으로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 무조건적으로 폐쇄되며, 상기 "강한 1"과 상기 "강한 0"은 모두 임계 레벨 위에 존재하는
    나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 "약한 1"로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 개방되고, "약한 0"으로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 폐쇄되며, 상기 약한 전압 상태는 상기 강한 전압 상태보다 강하지 않은
    나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 각각의 접합부는 임의의 상태에서 다른 상태로 전환을 가능하게 하는 쌍안정 분자를 포함하는
    나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 쌍안정 분자는 전기 화학적 반응을 이용하여 산화 상태와 환원 상태 사이에서 전환되는
    나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 쌍안정 분자는 로탁산(rotaxanes), 유사-로탁산(pseudo-rotaxanes), 카테난(catenanes), 및 스파이로피란(spiropyrans)으로 구성된 그룹으로부터 선택된
    나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 전압 시퀀스를 인가하는 단계는,
    (a) 상기 양 스위치를 무조건적으로 개방하는 단계와,
    (b) 상기 신호선이 로직 1을 가지면 상기 제 1 스위치를 폐쇄하고, 동시에, 상기 신호선이 로직 0을 가지면 상기 제 2 스위치를 폐쇄하는 단계와,
    (c) 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선을 로직 1 전압 레벨에 접속하고, 동시에, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제 2 제어선을 로직 0 전압 레벨에 접속하는 단계를 포함하는
    나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 전압 시퀀스를 인가하는 단계는,
    (a) 상기 양 스위치를 모두 무조건적으로 개방하는 단계와.
    (b) 상기 신호선이 로직 1을 가지면 상기 제 1 스위치를 폐쇄하고, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제어선 상에 상기 제 2 스위치의 상태를 변화시키기에는 불충분한 전압을 인가하여 상기 제 2 스위치의 상기 상태가 변화하지 않은 상태로 남아 있게 하는 단계와,
    (c) 그 후, 상기 신호선이 로직 0을 가지면 상기 제 2 스위치를 폐쇄하고, 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선 상에 상기 제 1 스위치의 상태를 변화시키기에는 불충분한 전압을 인가하여 상기 제 1 스위치의 상기 상태가 변화하지 않은 상태로 남아 있게 하는 단계와,
    (d) 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선을 로직 1 전압 레벨에 접속하고, 동시에, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제 2 제어선을 로직 0 전압 레벨에 접속하는 단계를 포함하는
    나노스케일 스위치에서 신호 복원 방법.
  23. 나노스케일 스위치에서, 신호의 논리 값을 반전하는 방법에 있어서,
    (a) 두 개의 제어선과, 영(0)이 아닌 각도로 상기 두 개의 제어선과 교차하여 각 제어선과의 접합부를 형성하는 하나의 신호선을 포함하는 분자 크로스바 래치를 제공하는 단계―각각의 접합부는 스위치를 형성하고, 상기 각각의 접합부는 0.1 나노미터 내지 50 나노미터 범위의 나노미터 스케일 크기를 가지며, 상기 신호선은 0 상태 내지 1 상태를 범위로 하는 적어도 두 개의 상이한 전압 상태를 선택적으로 가지며, 상기 신호선으로 또는 상기 신호선으로부터 한 접합부를 통해 흐르는 전류가 상기 스위치를 제각기 개방 또는 폐쇄할 수 있는 한편, 상기 신호선으로부터 또는 상기 신호선으로 다른 접합부를 통해 흐르는 전류는 상기 스위치를 제각기 폐쇄 또는 개방할 수 있도록 상기 한 접합부를 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름의 방향은 상기 다른 접합부를 통한 상기 신호선으로부터의 전류 흐름 방향과 비교할 때 비대칭적이며, 개방된 스위치와 폐쇄된 스위치 사이에는 전환용 전압 임계값이 존재함―와,
    (b) 상기 두 개의 제어선에 전압 시퀀스를 인가함으로써 상기 신호를 래칭하여, 상기 신호선이 로직 1을 나타내는 전압을 가질 때 제 1 스위치는 개방되고 제 2 스위치는 폐쇄되거나, 또는 상기 신호선이 로직 0을 나타내는 전압을 가질 때 상기 제 1 스위치는 폐쇄되고 상기 제 2 스위치는 개방되도록 상기 두 접합부의 상기 스위치를 설정하는 단계와,
    (c) 로직 1을 나타내는 전압을 상기 제 1 제어선 상에 배치하고, 로직 0을 나타내는 전압을 상기 제 2 제어선 상에 배치하는 단계를 포함하는
    나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 "강한 1"로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 무조건적으로 개방되고, "강한 0"으로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 무조건적으로 폐쇄되며, 상기 "강한 1"과 상기 "강한 0"은 모두 임계 레벨 위에 존재하는
    나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는 "약한 1"로 표시된 상기 신호선 상의 전압 상태에 의해 개방되고, "약한 0"으로 표시된 신호선 상의 전압 상태에 의해 폐쇄되며, 상기 약한 전압 상태는 상기 강한 전압 상태보다 강하지 않은
    나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 각각의 접합부는 임의의 상태에서 다른 상태로 전환을 가능하게 하는 쌍안정 분자를 포함하는
    나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 쌍안정 분자는 전기 화학적 반응을 이용하여 산화 상태와 환원 상태 사이에서 전환되는
    나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 쌍안정 분자는 로탁산(rotaxanes), 유사-로탁산(pseudo-rotaxanes), 카테난(catenanes), 및 스파이로피란(spiropyrans)으로 구성된 그룹으로부터 선택된
    나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 전압 시퀀스를 인가하는 단계는,
    (a) 상기 양 스위치를 무조건적으로 개방하는 단계와,
    (b) 상기 신호선이 로직 1을 가지면 상기 제 1 스위치를 폐쇄하고, 동시에, 상기 신호선이 로직 0을 가지면 상기 제 2 스위치를 폐쇄하는 단계와,
    (c) 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선을 로직 1 전압 레벨에 접속하고, 동시에, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제 2 제어선을 로직 0 전압 레벨에 접속하는 단계를 포함하는
    나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법.
  30. 제 23 항에 있어서,
    상기 전압 시퀀스를 인가하는 단계는,
    (a) 상기 양 스위치를 모두 무조건적으로 개방하는 단계와.
    (b) 상기 신호선이 로직 1을 가지면 상기 제 1 스위치를 폐쇄하고, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제어선 상에 상기 제 2 스위치의 상태를 변화시키기에는 불충분한 전압을 인가하여 상기 제 2 스위치의 상기 상태가 변화하지 않은 상태로 남아 있게 하는 단계와,
    (c) 상기 신호선이 로직 0을 가지면 상기 제 2 스위치를 폐쇄하고, 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선 상에 상기 제 1 스위치의 상태를 변화시키기에는 불충분한 전압을 인가하여 상기 제 1 스위치의 상기 상태가 변화하지 않은 상태로 남아 있게 하는 단계와,
    (d) 상기 제 1 스위치와 연관된 상기 제어선을 로직 0 전압 레벨에 접속하고, 동시에, 상기 제 2 스위치와 연관된 상기 제 2 제어선을 로직 1 전압 레벨에 접속하는 단계를 포함하는
    나노스케일 스위치에서 신호 논리 값 반전 방법.
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