Wydrukuj swój następny komputer

Jak lubi podkreślać Joseph Jacobson, pomimo wszystkich wzrostów wydajności układów półprzewodnikowych w ciągu ostatnich kilku dekad, typowy układ scalony – mózg stojący za twoim komputerem – jest wciąż zbyt drogi dla większości ludzi na świecie. Spójrz na sposób, w jaki powstaje [chip], mówi, uderzając powietrze jedną ręką, a drugą reżyserując prezentację PowerPoint. Zwraca uwagę, że wyprodukowanie wysokiej jakości układu logicznego, takiego jak procesor Intel Pentium, zajmuje dwa tygodnie, siedem dni w tygodniu, 24 godziny na dobę. Zakłady produkujące chipy, takie jak te, które posiada Intel, to narzędzie warte 1,6 miliarda dolarów. I jest bardzo mało ludzi na świecie, którzy mogą dotknąć tego narzędzia.

Rozwiązanie Jacobsona: komputer stacjonarny zdolny do drukowania obwodów bezpośrednio na podłożu, takim jak plastik, bez kosztów i kłopotów w zakładzie produkcyjnym wartym wiele miliardów dolarów. Jacobson, szef Printed PC Group w MIT Media Lab, zdołał już wydrukować prymitywne, ale działające tranzystory za pomocą atramentu składającego się z cząstek półprzewodnikowych o rozmiarach nanometrów. Naszym celem jest śledzenie trajektorii, jaką obrał krzem, i uruchomienie procesorów drukujących z być może kilkuset tranzystorami, przechodząc do tysięcy, a nawet więcej, mówi Jacobson. Powinniśmy być w stanie zademonstrować bardzo prosty procesor w ciągu najbliższych 12-18 miesięcy. Przewiduje, że drukowane chipy logiczne o szybkości i mocy Pentium mogą w końcu być możliwe, dzięki czemu mikroczipy będą dostępne za ułamek czasu i kosztów związanych z konwencjonalną produkcją.

Jeśli wizja Jacobsona stanie się rzeczywistością, może zmienić wszystko w sprzęcie komputerowym. Drukowana elektronika może być wystarczająco tania, aby znaleźć drogę do wszystkiego, od tapet wyświetlających zmienne obrazy po niestandardowe obwody logiczne. Fabryka chipów na każdym komputerze stacjonarnym może doprowadzić do dnia, w którym ludzie będą pobierać architekturę układów scalonych w taki sposób, w jaki pobierają dzisiaj oprogramowanie. Krótko mówiąc, może zmienić produkcję sprzętu w sposób, w jaki ruch open source zmienił sposób pisania oprogramowania. Rzeczywiście, w swoim najbardziej wizjonerskim, Jacobson twierdzi, że drukowana logika może zapoczątkować ruch sprzętu typu open source, w którym chipy są projektowane na zamówienie przez Internet i drukowane przez konsumenta mniej więcej w tym samym czasie, jaki zajmuje wydrukowanie strony internetowej. Mógłbyś, mówi Jacobson, ściągnąć projekt chipa z sieci, wprowadzić pewne modyfikacje od jakiegoś faceta z Indii, a urządzenie zacznie się rozkręcać.

Jest pora lunchu w laboratorium Jacobsona, pokoju bez okien, z plątaniną kolorowych kabli zwisających ze ścian i sufitu oraz rzędem okapów chemicznych ustawionych wzdłuż jednej ze ścian. Entuzjazm Jacobsona jest zaraźliwy, a ciasne laboratorium jest oczywiście miejscem, w którym on i jego garstka uczniów spędzają większość czasu, nawet gdy jedzą. To, co nas interesuje, to danie mi kawałka plastiku, a za kilka sekund zwrócę ci Pentium” lub coś o tej złożoności – mówi między kęsami. Traktuję to poważnie. Nie wolniej niż Pentium; nie do odróżnienia od Pentium.

Pochodzące od prawie każdego innego twierdzenie byłoby trudne do przełknięcia. Ale 35-letni profesor nadzwyczajny ma uprawnienia do dostarczenia towarów. W końcu, kiedy Jacobson dołączył do Media Lab w 1996 roku, jego natychmiastowe ambicje brzmiały niemal równie dziwacznie. Chciałem mieć wyświetlacz, który można by wydrukować, wspomina Jacobson. Chciałem czegoś niewiarygodnie niedrogiego, czegoś, co wyglądałoby jak atrament na papierze. Coś, innymi słowy, jak papier elektroniczny.

Jego rozwiązanie było riffem z badań przeprowadzonych w Xerox Palo Alto Research Center (PARC) w latach 70., gdzie naukowcy stworzyli mikroskopijne kulki, które były czarne na górze i białe na dole. Ładunek elektryczny określał, która strona kulek obróciła się w górę. Dzięki sprytnemu okablowaniu z kulek można tworzyć litery i słowa. Jacobson i garstka studentów MIT pchnęli ten pomysł w nowe kierunki. Zamiast tworzyć kulki w dwóch kolorach, wyprodukowali miliony maleńkich mikrokapsułek, z których każda zawierała płynną mieszaninę oleju, ciemnego barwnika i maleńkie okruchy białego pigmentu. Następnie umieścili materiał na elastycznym plastiku i umieścili go między przezroczystymi elektrodami na górze i na dole. W zależności od przyłożonego ładunku, białe odłamki migrują w kierunku góry lub dołu kuli, a gdy są aktywowane wspólnie, elektrody mogą wymuszać na tuszu rozpoznawalne wzory.

Reszta to materiał legend o startupach. Firma E Ink została założona w 1997 roku z kilkoma studentami Jacobsona na czele i od tego czasu zebrała prawie 55 milionów dolarów z prywatnego finansowania, zawierając umowy z takimi firmami jak Motorola i Hearst Publishing. Media i eksperci uznali tę technologię za koniec papieru, jaką znamy. Ale to, co zgubiło się w całym szumie wokół papieru elektronicznego, to fakt, że nadal potrzebujesz elektroniki do napędzania pikseli (atramentu) wyświetlaczy. Prototypy zbudowane do tej pory przez E Ink nadal opierają się na tradycyjnych (czytaj: nie tanich) chipach krzemowych do sterowania wyświetlaczem. Aby w pełni wykorzystać zalety tej technologii, potrzebujesz tanich, elastycznych obwodów elektronicznych. Firma E Ink nawiązała niedawno współpracę z firmą Lucent Technologies, której naukowcy pracują nad sposobami drukowania tranzystorów organicznych na elastycznych podłożach z tworzyw sztucznych. (Obie firmy mają nadzieję, że jesienią tego roku zaprezentują działający prototyp tej technologii.)

Jacobson ma jednak jeszcze większe ambicje. Nie tylko chce wydrukować stosunkowo proste obwody elektroniczne wymagane do sterowania ekranem wyświetlacza, ale chce przejść do następnego kroku i znaleźć sposób na wyprodukowanie wysokiej jakości logiki na zamówienie Pentium przy użyciu podobnych metod drukowania. Nie tylko będziesz w stanie wydrukować swój ekran; można, w pewnym sensie, wydrukować sam komputer — lub przynajmniej jego podstawowe obwody.

Roztwór nieorganiczny

Stworzenie tradycyjnego chipa tak potężnego jak Pentium nie jest łatwym zadaniem. Podczas gdy producenci półprzewodników, tacy jak Intel, nauczyli się robić coraz mniejsze tranzystory w ciągu ostatnich kilku dekad, wciskając znacznie większą wydajność w mikroprocesory, podstawowa mechanika wytwarzania chipów niewiele się zmieniła. Materiał bazowy pozostaje krzemem pokrojonym w cienkie wafle. Na wafel nakładana jest izolacyjna warstwa dwutlenku krzemu; cienka warstwa fotorezystu (materiału światłoczułego) osadza się na dwutlenku krzemu. Wiązki światła rzutują wzór obwodu na fotorezyst przez szablon; wzór jest następnie wytrawiany przez kwasy lub reaktywne gazy. Dodawane są kolejne warstwy krzemu, domieszki takie jak bor czy arsen, a na koniec tranzystory łączy się za pomocą maleńkich aluminiowych drucików.

Powstałe w ten sposób mikroczipy są cudem inżynierii i są w dużej mierze odpowiedzialne za napędzanie rewolucji informacyjnej. Korzystając z wartych wiele miliardów dolarów zakładów produkcyjnych, Intel i inni mogą teraz wytwarzać tranzystory o średnicy zaledwie kilkuset nanometrów (nanometr to jedna miliardowa część metra), pakując dziesiątki milionów na jednym chipie. Minusem jest to, że kilkaset etapów produkcji zajmuje ponad dwa tygodnie i wymaga czystych pomieszczeń setki lub tysiące razy bardziej nieskazitelnych niż przeciętne laboratorium.

Jesienią ubiegłego roku Jacobson i jego uczeń Brent Ridley opisali w czasopiśmie Science pierwsze drukowane tranzystory nieorganiczne. Kilka innych grup badawczych, w szczególności z Lucent's Bell Labs i Cambridge University w Wielkiej Brytanii, również wydrukowało tranzystory. Jednak grupy te wykorzystują polimery organiczne; takie materiały mogą być bardzo obiecujące w elektronice potrzebnej do wytwarzania tanich, elastycznych wyświetlaczy. Wydaje się jednak, że tranzystory organiczne mają z natury ograniczoną prędkość obliczeniową. Wielkim przełomem Jacobsona jest to, że on i jego koledzy z Media Lab stworzyli płynne zawiesiny nieorganicznych półprzewodników — tej samej klasy materiałów, co w chipie Pentium — aby można je było wykorzystać w procesie drukowania. Innymi słowy, zamiast wyrzeźbić logikę w solidnym kawałku krzemu, Jacobson po prostu drukuje ją na podłożu.

Optymizm Jacobsona jest uzasadniony szybkimi postępami jego grupy w syntezie atramentu półprzewodnikowego. W normalnych warunkach materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem, selenek kadmu i arsenek galu, tworzą kryształy o temperaturze topnienia znacznie powyżej 1000 C. Jednak Jacobson i jego zespół znaleźli sposób na zsyntetyzowanie roztworu maleńkich nanokryształów o 100 atomach lub mniej. Ten tusz półprzewodnikowy może być wzorowany lub drukowany na różnych podłożach, w tym na cienkich arkuszach plastiku, w temperaturze poniżej 300 C. Cząsteczki, jak zauważa Jacobson, są wystarczająco małe, aby tworzyć 200-nanometrowe struktury – mniej więcej w skali złożonych układów scalonych, takich jak Chip Intela Pentium.

Zawiesina nanocząstek jest tak podobna do konwencjonalnych atramentów, że Jacobson i jego współpracownicy są w stanie wykorzystać drukarkę atramentową wyprodukowaną przez Hitachi do wytwarzania maleńkich maszyn zwanych MEMS lub systemami mikroelektromechanicznymi. MEMS, które są jednym z najszybciej rozwijających się nowych obszarów technologii materiałowej ( zobaczyć Niech Micro Force będzie z tobą , TR wrzesień/październik 1999 ), są zwykle wytwarzane przy użyciu wielu takich samych żmudnych technik stosowanych do wytwarzania konwencjonalnych mikroukładów krzemowych. Korzystając z drukarki atramentowej, Jacobson i jego uczniowie zdołali skonstruować zarówno działający siłownik termiczny, jak i silnik z napędem liniowym o właściwościach rzędu 100 mikrometrów, po prostu nakładając setki warstw atramentu. I są w stanie formować maleńkie maszyny bez czystego pomieszczenia i w temperaturach znacznie poniżej 300 C.

Grupa wykorzystała również drukarkę atramentową do produkcji znacznie bardziej inteligentnych znaczników identyfikacyjnych wykorzystujących fale radiowe. Inni również pracują nad takimi znacznikami, ale polegają na logice wykorzystującej tranzystory organiczne. Jacobson uważa, że ​​szybsza logika możliwa w przypadku materiałów nieorganicznych może uczynić jego wersję tagów znacznie bardziej inteligentną, umożliwiając firmom śledzenie wszystkiego, od drogich towarów po opakowania w supermarkecie. Detektor sygnału radiowego mógłby odczytywać urządzenia, aktualizować je i integrować z systemami inwentaryzacyjnymi. Ktoś mógłby wejść do supermarketu, odebrać kilka rzeczy i wyjść, a pieniądze zostałyby automatycznie doliczone i potrącone z jego konta bankowego – oraz z systemu inwentaryzacji supermarketu.

Korzystanie z takich obwodów drukowanych to dopiero początek. Ponieważ logika komputerowa jest drukowana, można ją umieścić na powierzchni prawie wszystkiego: etykiet na puszki zupy, tekstyliów, puszek po napojach. Możesz dodać inteligencję do prawie wszystkiego, co chcesz, twierdzi Colin Bulthaup, jeden z uczniów Jacobsona. Jedną rzeczą, którą chcemy zrobić, jest zbudowanie cyfrowego aparatu fotograficznego na wizytówce: wszystko osadzone w samej karcie. Nie ma powodu, aby mieć te wszystkie niezgrabne chipy krzemowe. Możesz odwzorować swój półprzewodnik, fotodetektor — wszystkie materiały razem — i zintegrować je w jednym urządzeniu, które jest niewiarygodnie małe, niewiarygodnie tanie i niewiarygodnie szybkie w produkcji.

Wykonywanie takich urządzeń za pomocą drukarki atramentowej jest jednak wciąż dalekie od drukowania wysokiej jakości obwodów logicznych. Wymaga to wyprodukowania tranzystorów i innych elementów elektronicznych w skali kilkuset nanometrów — poziomu precyzji w chipie Pentium. W tym celu Jacobson wykorzystał pieczątki polimerowe, które nie różnią się zbytnio od pieczątek używanych do poświadczania dokumentów. W jednej wersji stempel ma architekturę obwodu w pozytywowym reliefie i jest zanurzony w tuszu nanocząsteczkowym; obwody są następnie przenoszone ręcznie na podłoże. Obiecujący jest również stempel negatywowy, który wytłoczy cienką warstwę atramentu nałożoną wcześniej na plastikową powierzchnię. Cechy stempla odpychają atrament w pewnych punktach, tworząc dowolną cechę wygrawerowaną na stemplu w rozdzielczości 200 nanometrów.

Wyzwanie Pentium

To wszystko jest niezwykle atrakcyjną wizją. Ale czy drukowana elektronika faktycznie może konkurować z wielomiliardowymi fabrykami w tworzeniu wymagających obwodów potrzebnych do wysokiej jakości logiki? Na przykład Sigurd Wagner tak nie uważa. Profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Princeton, Wagner również prowadzi badania nad drukowaną logiką nieorganiczną, ale jego obietnicę widzi w taniej elektronice, która może być używana na dużych powierzchniach, a nie w wysokiej jakości mikroprocesorach.

Jego celem, jak mówi Wagner, nie jest konkurowanie z technologią układów scalonych; ma wejść w obszar, z którym tradycyjne układy scalone sobie nie poradzą. Atrakcyjne zastosowania obejmują tapetę, która działa jak ogromny ekran, elektronika wpleciona w tekstylia, a nawet elektroniczna powłoka pokrywająca samolot, który jest w stanie reagować mechanicznie na zmieniające się warunki.

Jacobson zgadza się, że krótkoterminowe korzyści przyniesie produkcja taniej, elastycznej elektroniki, która umożliwiłaby takie zastosowania. Jak mówi, istnieje ogromna liczba zastosowań niewiarygodnie niedrogich, jednorazowych układów logicznych o niskim poborze mocy na podłożach z tworzyw sztucznych. A na razie obwody drukowane Jacobsona są lepiej przystosowane do tych zastosowań. Po pierwsze, wciąż są zbyt wolne dla zaawansowanych aplikacji logicznych; podczas gdy nieorganiczne tranzystory Jacobsona są o rząd wielkości szybsze niż drukowane tranzystory organiczne wyprodukowane przez Lucent i inne grupy badawcze, wciąż są 100 razy wolniejsze niż najlepsze nieorganiczne tranzystory wykonane z konwencjonalnych technik.

Ale tworzenie jutrzejszych chipów podobnych do Pentium na komputerze stacjonarnym pozostaje błyskiem w oku Jacobsona. To wymaga zwiększenia szybkości drukowanej logiki nieorganicznej. To prawdopodobnie kilkuletni projekt badawczy, mówi, ale wierzymy, że jest to wykonalne.

To po prostu rodzaj wyzwania i niezwykle ambitnego projektu, który uwielbia Jacobson. Jest to rodzaj projektu, który zmusza do ponownego przemyślenia możliwości bardzo znanego przedmiotu. Dzięki E Ink nadaje nowy zwrot bardzo staremu wynalazkowi – drukowanej stronie. Zamiast wyrzucać gazetę, Jacobson chce zachować jej zalety, jednocześnie aktualizując ją na potrzeby ery informacji. A teraz ponownie zastanawia się nad wytwarzaniem układów scalonych. Jeśli Jacobson potrafił urzeczywistnić swoje wizje obwodów drukowanych, mógłby zmienić znaczenie sprzętu i zastąpić wielomiliardową fabrykę półprzewodników czymś, co nie różni się tak bardzo od znaczków, które istnieją od tysięcy lat.

Podczas gdy reszta branży komputerowej próbuje obniżyć ceny sprzętu poprzez masową produkcję kilku standaryzowanych chipów, Jacobson idzie w przeciwnym kierunku, próbując uczynić z każdej osoby mistrza i producenta własnej logiki.

ukryć