Фахівці галузі мікроелектроніки обгрунтовано називають її розвиток одним із стратегічних напрямків світового науково-технічного прогресу. Саме розвиток мікроелектроніки зробило можливим реалізацію ідей нанотехнології і послужило од-ним з об'єктивних чинників, що викликали третю науково-технічну революцію. І в даний час електроніка є основною практичної областю застосування нанотехнології. Разом з тим наноелектроніка відрізняється від мікроелектроніки ряд істотних моментів. Це абсолютно нова галузь науки і техніки, яка використовує швидкодіючі і надмініатюрні системи, що функціонують на основі квантових ефектів. Дивовижні нові можливості наноелектроніки супроводжуються невідомими раніше труднощами, пов'язаними з квантової природою процесів в її пристроях. Така ситуація взагалі характерна для наноструктур. Виникають проблеми, пов'язані з різними межами (обмеженнями), зумовленими фундаментальними законами фізики: межа однозначного уявлення і обробки інформації; межа, пов'язаний з тепловим розподілом; межа терминировать (точного) управління пристроями і т. д.
Наприклад, серйозну проблему для комп'ютерів становить тепловиділення, яке вже зараз близька до критичного. Щільність упаковки елементів на чіпі лімітується не тільки розмірами атомів, але іпрінціпом Ландауера, за яким втрата кожного біта інформації поводить до виділення тепла в кількості kБT ln 2, де Кб - постійна Больцмана, Т - абсолютна температура, ln 2 ≈ 0,7. Чим більше швидкість комп'ютера, тим більше тепловиділення. Для боротьби сперегревом в суперкомп'ютерах пропонується створювати локальні низькі температури або навіть розміщувати на комп'ютері на геостаціонарних орбітах, використовуючи низьку температуру космосу. Вигідна особливість оптичних комп'ютерів якраз полягає в тому, що в них світло проходить через оптичну систему практично без тепловиділення, тепло виділяється тільки в детекторах, що зчитують інформацію.
Варто згадати, що перша електронно-обчислювальна машина ENIAC, створена в 1946 р «IBM» на замовлення Міністерства оборони США, виробляла 5 тис. Операцій в секунду. При цьому вона важила 30 т і складалася з 18 тис. Електронних ламп.
Ще один приклад фізичної межі, пов'язаного з переходом до нанорозмірів, - гранична товщина ізолюючого шару оксиду кремнію в транзисторі. Якщо шар тонше 1,5-2 нм (4-5 молекул), виникають неконтрольовані тунельні переходи і перегріви.
У короткому викладі важко описати всі проблеми і перспективи наноелектроніки. Виділимо такі.
Перехід на нанорозміри поставив завдання створення молекулярного комп'ютера, який повинен включати молекулярні транзистори, наноустройства пам'яті, нанорозмірні дроти. Якщо молекулярний транзистор буде розміром близько 1 нм (3-5 розмірів атома), щільність розміщення елементів електроніки зросте в порівнянні з нинішньою в 10 тис. Разів. Однак нанотранзистори - це квантово-механічний пристрій, і протікає через нього струм не можна розглядати як безперервний потік електронної «рідини»: він дробиться на невелике число електричних зарядів. Конструювання і використання нанотранзистори базуються на законах квантової механіки і досить складні.
Будь-транзистор являє собою систему, в якій можна керувати силою струму між двома елементами впливом на них третього елемента. Молекулярний транзистор може являти собою всього одну молекулу зі змінними електричними свойст-вами. Таким чином, в ній будуть поєднані всі три елементи транзистора. Наприклад, молекула фотохромного з'єднання змінює свою конфігурацію в результаті електрохімічного окислення. Уже створені нанотранзистори на основі вуглецевих нанотрубок, фулеренів і ін.
У мікроелектроніці в транзисторах використовується напівпровідник, так як в ньому легко керувати концентрацією носіїв заряду. Але напівпровідниковими властивостями можуть володіти також кластери металу при певному числі атомів в них. Для стабільності системи беруться кластери з магічним числом атомів.
Отримані результати наукових досліджень поки не привели до створення масової технології нанотранзисторов, але провідні лабораторії світу і найбільші фірми в області електроніки ведуть активну роботу і не розшифровують повністю свої практи-етичні розробки, що мають велике економічне і військове значення.
Важлива складова молекулярного комп'ютера - пам'ять - буде чітко поділятися на оперативну, швидкодіючу, і пам'ять більш «повільну», але зате з тривалим зберіганням інформації. Окремим елементом пам'яті також може бути окрема молекула, яка під зовнішнім впливом (наприклад, лазерного випромінювання) змінює свій стан. Два стану молекули відповідають бінарного коду. У цьому випадку можливі проблеми, пов'язані з самовільним переходом молекули в інший стан через теплового руху або тунельного переходу, що призведе до втрати інформації.
У всіх випадках головною залишається проблема приєднання нанопроводи до інших наноелементів молекулярного комп'ютера. Для масової технології таких способів поки немає. Надії, як часто в нанотехнології, пов'язані з розвитком механізмів самоорг-нізації.
Різновидом молекулярного комп'ютера є біологічний комп'ютер, всі частини якого побудовані з біомолекул. Зокрема, їм активно займається Американське агентство оборонних перспективних дослідницьких розробок «DARPA» (саме в його надрах народився Інтернет).
Можливо, в майбутньому подібні пристрої будуть імплантуватися в людський організм в якості постійного активного сенсора.