Pierwszy komputer z nanorurek węglowych

Po raz pierwszy naukowcy zbudowali komputer, którego centralny procesor jest w całości oparty na nanorurkach węglowych, formie węgla o niezwykłych właściwościach materiałowych i elektronicznych. Komputer jest powolny i prosty, ale jego twórcy, grupa inżynierów ze Stanford University, twierdzą, że pokazuje, że elektronika z nanorurek węglowych jest realnym potencjalnym zamiennikiem krzemu, gdy osiąga swoje granice w coraz mniejszych obwodach elektronicznych.

Chip rury: To zdjęcie ze skaningowego mikroskopu elektronowego przedstawia fragment pierwszego w historii komputera z nanorurek węglowych. Obraz został pokolorowany, aby zidentyfikować różne części chipa.

Procesor nanorurek węglowych ma porównywalne możliwości do Intel 4004 , mówi pierwszy mikroprocesor tej firmy, który został wydany w 1971 roku Subhaszysz Mitrau , inżynier elektryk w Stanford i jeden ze współkierowników projektu. Komputer opisany dzisiaj w czasopiśmie Natura uruchamia prosty zestaw instrukcji programowych o nazwie MIPS. Może przełączać się między wieloma zadaniami (liczeniem i sortowaniem numerów) i śledzić je, a także pobierać dane i wysyłać je z powrotem do pamięci zewnętrznej.

Procesor nanorurek składa się ze 178 tranzystorów, z których każdy zawiera nanorurki węglowe o długości od 10 do 200 nanometrów. Grupa ze Stanford twierdzi, że stworzyła sześć wersji komputerów z nanorurek węglowych, w tym jedną, którą można podłączyć do zewnętrznego sprzętu — klawiatury numerycznej, której można używać do wprowadzania liczb w celu dodawania.

Aaron Franklin , naukowiec z IBM Watson Research Center w Yorktown Heights w stanie Nowy Jork, mówi, że porównanie z 4004 i innymi wczesnymi procesorami krzemowymi jest trafne. To niesamowita demonstracja dla ludzi ze społeczności elektronicznej, którzy wątpili w nanorurki węglowe, mówi.

Grupa Franklina wykazała, że ​​pojedyncze tranzystory z nanorurek węglowych – mniejsze niż 10 nanometrów – są szybsze i bardziej energooszczędne niż te wykonane z jakiegokolwiek innego materiału, w tym krzemu. Prace teoretyczne sugerują również, że komputer z nanorurek węglowych byłby o rząd wielkości bardziej energooszczędny niż najlepsze komputery krzemowe. A zdolność nanomateriału do rozpraszania ciepła sugeruje, że komputery z nanorurek węglowych mogą działać niesamowicie szybko bez nagrzewania – problem, który wyznacza ograniczenia prędkości procesorów krzemowych w dzisiejszych komputerach.

Mimo to niektórzy wątpią, czy nanorurki węglowe zastąpią krzem. Praca z nanorurek węglowych to duże wyzwanie. Zazwyczaj są one uprawiane w sposób, który pozostawia je w splątanym bałaganie, a około jedna trzecia rurek jest metaliczna, a nie półprzewodnikowa, co powoduje zwarcia.

W ciągu ostatnich kilku lat Mitra współpracowała z inżynierem elektrykiem Stanford Philip Wong , który opracował sposoby na ominięcie niektórych wyzwań materiałowych, które uniemożliwiły tworzenie złożonych obwodów z nanorurek węglowych. Wong opracował metodę hodowli w większości bardzo prostych nanorurek na kwarcu, a następnie przeniesienia ich na podłoże krzemowe w celu wytworzenia tranzystorów. Grupa ze Stanford pokrywa również aktywne obszary tranzystorów powłoką ochronną, a następnie wytrawia wszelkie odsłonięte nanorurki, które zbłądziły.

Wong i Mitra również przykładają napięcie, aby wyłączyć wszystkie półprzewodnikowe nanorurki na chipie. Następnie przepuszczają przez chip duży prąd; metaliczne nagrzewają się, utleniają i rozpadają. Wszystkie te poprawki specyficzne dla nanorurek — i resztę procesu produkcyjnego — można wykonać na standardowym sprzęcie używanym do produkcji dzisiejszych chipów krzemowych. W tym sensie proces jest skalowalny.

Pod koniec zeszłego miesiąca o Gorące frytki , konferencja poświęcona projektowaniu inżynieryjnemu, która przypadkowo odbyła się w Stanford, dyrektor Biura Technologii Microsystems w DARPA wywołał poruszenie, omawiając koniec elektroniki krzemowej. W przemówieniu: Robert Colwell , były główny architekt w firmie Intel, przewidywał, że już w 2020 r. przemysł komputerowy nie będzie już w stanie zwiększać wydajności i kosztów poprzez podwajanie gęstości tranzystorów krzemowych w układach co 18–24 miesiące — wyczyn ten określany jest mianem prawa Moore'a po współzałożycielu Intela Gordona Moore'a, który jako pierwszy zaobserwował ten trend.

Mitra i Wong mają nadzieję, że ich komputer pokaże, że nanorurki węglowe mogą stanowić poważną odpowiedź na pytanie, co będzie dalej. Jak dotąd żadna nowa technologia nie zbliżyła się do krzemu. Spośród wszystkich pojawiających się materiałów i nowych pomysłów uważanych za możliwych zbawicieli — nanodrutów, spintroniki, grafenu, komputerów biologicznych — nikt nie stworzył centralnej jednostki przetwarzania opartej na którymkolwiek z nich — mówi Mitra. W tym kontekście dogonienie wydajności krzemu około 1970 roku, choć pozostawia wiele do zrobienia, jest ekscytujące.

Wiktor Żyrnow , specjalista w dziedzinie nanoelektroniki na Korporacja badawcza półprzewodników w Durham w Północnej Karolinie jest o wiele bardziej ostrożny optymizm. Zauważa, że ​​procesor nanorurek ma 10 milionów razy mniej tranzystorów niż dzisiejsze typowe mikroprocesory, działa znacznie wolniej i działa przy pięciokrotnie wyższym napięciu, co oznacza, że ​​zużywa około 25 razy więcej energii.

Część powolności komputera nanorurek wynika z warunków, w jakich został zbudowany – w laboratorium akademickim, do którego miała dostęp grupa ze Stanforda, a nie w standardowej fabryce. Procesor jest podłączony do zewnętrznego dysku twardego, który służy jako pamięć, za pomocą dużej wiązki przewodów elektrycznych, z których każdy łączy się z dużym metalowym bolcem na górze procesora nanorurki. Każdy z pinów z kolei łączy się z urządzeniem na chipie. To niechlujne opakowanie oznacza, że ​​dane muszą pokonywać większe odległości, co wpływa na wydajność komputera.

Mając dostępne narzędzia, grupa Stanford nie może również wytwarzać tranzystorów mniejszych niż około jednego mikrometra – porównaj to z ogłoszeniem Intela na początku tego miesiąca, że ​​jego następna linia produktów będzie zbudowana w technologii 14-nanometrowej. Jeśli jednak grupa miałaby przejść do najnowocześniejszej fabryki, jej wydajność produkcyjna poprawiłaby się na tyle, aby móc produkować komputery z tysiącami mniejszych tranzystorów, a komputer mógłby działać szybciej.

Aby osiągnąć znakomity poziom wydajności teoretycznie oferowany przez nanorurki, naukowcy będą musieli nauczyć się budować złożone układy scalone składające się z nieskazitelnych pojedynczych tranzystorów z nanorurek. Franklin mówi, że eksperci od urządzeń i materiałów, tacy jak jego grupa w IBM, muszą rozpocząć bliższą współpracę z projektantami obwodów, takimi jak ci ze Stanford, aby osiągnąć prawdziwy postęp.

Doskonale zdajemy sobie sprawę, że krzem wyczerpuje się iw ciągu 10 lat dobiega końca – mówi Żyrnow. Jeśli nanorurki węglowe mają stać się praktyczne, musi to nastąpić szybko.

ukryć