Nejpokročilejší počítač s nanotrubičkami na světě může udržet Moorův zákon při životě

Zblízka fotografie nanotrubice Šťastný Frankel

Tým akademiků z MIT odhalil dosud nejpokročilejší čip na světě, který je vyroben z uhlíkových nanotrubic – válců se stěnami o šířce jednoho atomu uhlíku. Nový mikroprocesor, který je schopen provozovat konvenční softwarový program, by mohl být důležitým milníkem na cestě k nalezení křemíkových alternativ.

Elektronický průmysl se potýká se zpomalením Moorova zákona, který tvrdí, že počet tranzistorů, které lze zabalit do křemíkového procesoru, se zhruba každých pár let zdvojnásobí. Tento trend naráží na své fyzikální limity: jak se velikosti zařízení zmenšují na několik atomů, elektrický proud začíná unikat z kovových kanálů, které jej přepravují přes tranzistory. Teplo, které se uvolňuje, oslabuje energetickou účinnost polovodičů – a může dokonce způsobit jejich selhání.

Uhlíkové nanotrubice by mohly být perfektním řešením. Nejen, že jsou nanotrubkové tranzistory rychlejší než křemíkové, ale studie zjistily, že čipy vyrobené z nanotrubiček mohou být až desetkrát energeticky účinnější. Toto zvýšení účinnosti by mohlo výrazně prodloužit životnost baterie elektronických zařízení.

Výzkumníci pracovali na alternativních čipech zahrnujících molekuly po celá desetiletí, ale výrobní bolesti hlavy držely procesory uvězněné ve výzkumných laboratořích. v papír zveřejněný v Nature, tým MIT říká, že našel způsoby, jak překonat některé z největších překážek pro jejich produkci ve velkém měřítku.

Smíšené

Jedním problémem je, že když se vyrábí uhlíkové nanotrubice, přicházejí ve dvou typech smíchaných dohromady: první jsou polovodiče, které jsou ideální pro vytváření integrovaných obvodů, ale druhý vede elektrický proud jako drát, který vysává více energie a může dokonce podkopat obvod obvodu. výkon. Aby byly čipy ekonomicky životaschopné, je zapotřebí nákladově efektivní způsob, jak minimalizovat dopad druhé skupiny.

Dalším problémem je, že k výrobě čipů je třeba na wafer nanést jednotnou monovrstvu uhlíkových nanotrubiček. Ukázalo se však, že je to těžké, protože nanotrubice mají otravnou tendenci se shlukovat. Svazek z nich, který přistane na tranzistoru, jej může vyřadit z činnosti.

Tyto a další výzvy zaujaly Maxe Shulakera, profesora MIT, který pracoval na dalších významných projektech v této oblasti a získal finanční prostředky od americké Agentury pro výzkum pokročilých projektů obrany. vyvinout technologii nanotrubiček .

Skupina výzkumníků, kterou vede, vyvinula funkční 16bitový mikroprocesor postavený z více než 14 000 uhlíkových nanotrubicových tranzistorů, o kterých Shulaker tvrdí, že jsou nejsložitější, jaké kdy byly demonstrovány. Techniky, se kterými přišli, lze implementovat pomocí zařízení používaného k výrobě konvenčních křemíkových čipů, což znamená, že výrobci čipů nebudou muset investovat do drahého nového vybavení, pokud chtějí vyrábět procesory nanotrubice.

Když se zabývali problémem promíchávání, výzkumníci zjistili, že některé druhy logických hradel, které jsou základními stavebními bloky digitálních obvodů, byly odolnější vůči problémům vyvolaným kovovými nanotrubičkami než jiné. To je vedlo k vývoji nového návrhu obvodu, který upřednostňuje tyto brány a zároveň minimalizuje použití citlivějších kovových.

Aby se vypořádali s problémem svazkování, potáhli plátek polymerem a poté jej opatrně smývali po etapách. Tím se odstranily shluky nanotrubiček a zůstala po nich monovrstva potřebná k tomu, aby čip fungoval co nejefektivněji.

Cesta vpřed

Čip, který výzkumníci MIT vyrobili pomocí těchto technik, je schopen spustit jednoduchý program, který vytvoří zprávu Hello, World. Ale pokud mají nahradit křemíkové procesory, ty s uhlíkovými nanotrubičkami budou nakonec potřebovat miliardy tranzistorů, aby mohly provozovat pokročilý software.

IBM, která před několika lety prohlásila, že do roku 2020 doufá, že čipy s uhlíkovými nanotrubicemi převezmou ty křemíkové, také pracuje na projektech zahrnujících tuto technologii. Úsilí však dosud nedokázalo přijít na způsob, jak převést laboratorní objevy do praktické výroby. Díky novým pokrokům je cesta k tomu jasnější. Už není potřeba žádný skok víry, říká Shulaker.

skrýt