211service.com
První počítač s uhlíkovými nanotrubičkami
Vědci poprvé sestavili počítač, jehož centrální procesor je založen výhradně na uhlíkových nanotrubičkách, což je forma uhlíku s pozoruhodnými materiálovými a elektronickými vlastnostmi. Počítač je pomalý a jednoduchý, ale jeho tvůrci, skupina inženýrů Stanfordské univerzity, tvrdí, že ukazuje, že elektronika uhlíkových nanotrubiček je životaschopnou potenciální náhradou křemíku, když dosáhne svých limitů ve stále menších elektronických obvodech.
Trubkový čip: Tento snímek z rastrovací elektronové mikroskopie ukazuje část vůbec prvního počítače s uhlíkovými nanotrubicemi. Obrázek byl barevný, aby bylo možné identifikovat různé části čipu.
Procesor z uhlíkových nanotrubiček je svými schopnostmi srovnatelný s procesorem Intel 4004 , první mikroprocesor této společnosti, který byl uveden na trh v roce 1971, říká Subhasish Mitra , elektroinženýr ze Stanfordu a jeden ze spoluvedoucích projektu. Počítač, popsaný dnes v deníku Příroda , spouští jednoduchou sadu softwarových instrukcí nazvanou MIPS. Dokáže přepínat mezi více úlohami (počítáním a řazením čísel) a sledovat je a může načítat data a odesílat je zpět do externí paměti.
Nanotrubicový procesor se skládá ze 178 tranzistorů, z nichž každý obsahuje uhlíkové nanotrubice, které jsou dlouhé asi 10 až 200 nanometrů. Stanfordská skupina říká, že vyrobila šest verzí počítačů s uhlíkovými nanotrubicemi, včetně jedné, kterou lze připojit k externímu hardwaru – numerické klávesnici, kterou lze použít k zadávání čísel pro sčítání.
Aaron Franklin , výzkumník z IBM Watson Research Center v Yorktown Heights, New York, říká, že srovnání s 4004 a dalšími ranými křemíkovými procesory je výstižné. Toto je skvělá demonstrace pro lidi v elektronické komunitě, kteří pochybují o uhlíkových nanotrubičkách, říká.
Franklinova skupina prokázala, že jednotlivé uhlíkové nanotrubkové tranzistory – menší než 10 nanometrů – jsou rychlejší a energeticky účinnější než ty, které jsou vyrobeny z jakéhokoli jiného materiálu, včetně křemíku. Teoretická práce také naznačila, že počítač s uhlíkovými nanotrubicemi by byl o řád energeticky účinnější než nejlepší křemíkové počítače. A schopnost nanomateriálu odvádět teplo naznačuje, že počítače s uhlíkovými nanotrubicemi mohou běžet neuvěřitelně rychle, aniž by se zahřívaly – problém, který nastavuje rychlostní limity křemíkových procesorů v dnešních počítačích.
Přesto někteří lidé pochybují, že uhlíkové nanotrubice nahradí křemík. Práce s uhlíkovými nanotrubičkami je velkou výzvou. Obvykle se pěstují způsobem, který je zanechává ve spletitém nepořádku, a asi třetina trubek je spíše kovová než polovodivá, což způsobuje zkraty.
Během posledních několika let Mitra spolupracovala s elektrotechnikem ze Stanfordu Philip Wong , který vyvinul způsoby, jak se vyhnout některým problémům s materiály, které bránily vytvoření složitých obvodů z uhlíkových nanotrubic. Wong vyvinul metodu pro pěstování většinou velmi rovných nanotrubiček na křemeni, poté je přenesl na křemíkový substrát, aby se vytvořily tranzistory. Stanfordská skupina také pokrývá aktivní oblasti tranzistorů ochranným povlakem a poté odleptá všechny odkryté nanotrubice, které se zabloudily.
Wong a Mitra také aplikují napětí k vypnutí všech polovodičových nanotrubic na čipu. Poté pulsují čipem velký proud; kovové se zahřívají, oxidují a rozpadají se. Všechny tyto opravy specifické pro nanotrubice – a zbytek výrobního procesu – lze provést na standardním zařízení, které se používá k výrobě dnešních křemíkových čipů. V tomto smyslu je proces škálovatelný.
Koncem minulého měsíce v Hot Chips , konferenci inženýrského designu pořádanou shodou okolností ve Stanfordu, ředitel Microsystems Technology Office v DARPA vzbudil rozruch diskusí o konci křemíkové elektroniky. V hlavní řeči Robert Colwell , bývalý hlavní architekt společnosti Intel, předpověděl, že již v roce 2020 již nebude počítačový průmysl schopen nadále zlepšovat výkon a náklady zdvojnásobováním hustoty křemíkových tranzistorů na čipech každých 18 až 24 měsíců – výkon zvaný Mooreův zákon. po spoluzakladateli Intelu Gordonu Moorovi, který tento trend pozoroval jako první.
Mitra a Wong doufají, že jejich počítač ukáže, že uhlíkové nanotrubice mohou být vážnou odpovědí na otázku, co přijde dál. Dosud se žádná nová technologie nepřibližuje k dotyku křemíku. Ze všech nově vznikajících materiálů a nových myšlenek, které se staly možnými zachránci – nanodráty, spintronika, grafen, biologické počítače – nikdo nevytvořil centrální procesorovou jednotku založenou na žádném z nich, říká Mitra. V tomto kontextu je vzrušující dohnat výkon křemíku kolem roku 1970, i když to zbývá hodně práce.
Viktor Žirnov , specialista na nanoelektroniku ve společnosti Společnost pro výzkum polovodičů v Durhamu v Severní Karolíně je mnohem opatrnější optimista. Nanotrubicový procesor má 10 miliónkrát méně tranzistorů než dnešní typické mikroprocesory, běží mnohem pomaleji a pracuje s pětinásobným napětím, což znamená, že spotřebuje asi 25krát více energie, poznamenává.
Určitá pomalost počítače s nanotrubičkami je způsobena podmínkami, za kterých byl postaven – v akademické laboratoři využívající to, k čemu měla přístup skupina Stanford, nikoli standardní továrna. Procesor je připojen k externímu pevnému disku, který slouží jako paměť, pomocí velkého svazku elektrických vodičů, z nichž každý se připojuje k velkému kovovému kolíku na vrchu nanotrubicového procesoru. Každý z kolíků se postupně připojuje k zařízení na čipu. Toto chaotické balení znamená, že data musí cestovat na delší vzdálenosti, což snižuje efektivitu počítače.
S nástroji po ruce skupina Stanford také nemůže vyrobit tranzistory menší než asi jeden mikrometr – srovnejte to s oznámením Intelu začátkem tohoto měsíce, že jeho další řada produktů bude postavena na 14nanometrové technologii. Pokud by však skupina vstoupila do nejmodernější továrny, její výrobní výnosy by se zlepšily natolik, že by bylo možné vyrábět počítače s tisíci menších tranzistorů, a počítač by mohl běžet rychleji.
Aby bylo dosaženo vynikající úrovně výkonu teoreticky nabízeného nanotrubičkami, budou se vědci muset naučit, jak postavit složité integrované obvody složené z nedotčených jednoduchých nanotrubicových přechodů. Franklin říká, že odborníci na zařízení a materiály, jako je jeho skupina v IBM, musí začít pracovat v užší spolupráci s návrháři obvodů, jako jsou ti ze Stanfordu, aby dosáhli skutečného pokroku.
Jsme si dobře vědomi toho, že křemíku dochází dech a do 10 let se to chýlí ke konci, říká Zhirnov. Pokud se uhlíkové nanotrubice stanou praktickými, musí se tak stát rychle.