211service.com
Vytiskněte si svůj další počítač
Jak s oblibou zdůrazňuje Joseph Jacobson, přes všechny zisky ve výkonu polovodičových čipů za posledních několik desetiletí je typický integrovaný obvod – mozek za vaším počítačem – pro většinu lidí na planetě stále příliš drahý. Podívejte se, jak se vyrábí [čip], říká a jednou rukou udeří do vzduchu, zatímco druhou řídí prezentaci v PowerPointu. Jak zdůrazňuje, výroba vysoce kvalitního logického čipu, jako je procesor Intel Pentium, trvá dva týdny, sedm dní v týdnu, 24 hodin denně. Zařízení na výrobu čipů, jako jsou ta, která má Intel, jsou nástrojem v hodnotě 1,6 miliardy dolarů. A na světě je jen velmi málo lidí, kteří se tohoto nástroje mohou dotknout.
Jacobsonovo řešení: stolní továrna schopná tisknout obvody přímo na substrát, jako je plast, bez nákladů a potíží ve výrobním závodě za mnoho miliard dolarů. Jacobson, vedoucí skupiny Printed PC Group v Media Lab na MIT, již dokázal vytisknout základní, ale fungující tranzistory pomocí inkoustu sestávajícího z polovodičových částic o velikosti nanometrů. Naším cílem je sledovat trajektorii křemíku a začít tisknout procesory s možná několika stovkami tranzistorů, posouvat se na tisíce a pak ještě více, říká Jacobson. Velmi jednoduchý procesor bychom měli být schopni předvést během následujících 12 až 18 měsíců. A předpovídá, že tištěné logické čipy s rychlostí a výkonem Pentia by nakonec mohly být možné, čímž by byly mikročipy dostupné za zlomek času a nákladů spojených s konvenční výrobou.
Pokud se Jacobsonova vize stane skutečností, mohlo by to změnit vše v počítačovém hardwaru. Tištěná elektronika by mohla být dostatečně levná na to, aby si našla cestu ke všemu, od tapet s proměnlivými obrázky až po logické obvody navržené na zakázku. Čipová továrna na každém stolním počítači by mohla způsobit den, kdy si jednotlivci stahují architekturu integrovaných obvodů tak, jak si dnes stahují software. Stručně řečeno, mohlo by to transformovat výrobu hardwaru do té míry, jak hnutí open-source změnilo způsob psaní softwaru. Ve skutečnosti, ve své nejvizionárnější podobě Jacobson tvrdí, že tištěná logika by mohla dát vzniknout hnutí hardwaru s otevřeným zdrojovým kódem, kde jsou čipy na zakázku navrženy přes internet a tištěny spotřebitelem přibližně za stejnou dobu, jakou trvá tisk webové stránky. Jacobson říká, že byste si mohli stáhnout návrh čipu z webu, připojit nějaké modifikace od nějakého chlapa z Indie a zařízení přijde boom.
V Jacobsonově laboratoři, v místnosti bez oken, se spleti barevných kabelů visících ze stěn a stropu a řadou chemických digestoří umístěných podél jedné stěny, je čas oběda. Jacobsonovo nadšení je nakažlivé a stísněná laboratoř je zjevně místem, kde on a jeho hrstka studentů tráví většinu času, i když jedí. Nás zajímá, dej mi kus plastu a za pár sekund ti vrátím Pentium,“ nebo něco v takové složitosti, říká mezi sousty. myslím to vážně. Ne pomalejší než Pentium; k nerozeznání od Pentia.
Takové tvrzení, které pochází téměř od kohokoli jiného, by bylo těžké spolknout. Jenže pětatřicetiletý docent má pověření k dodání zboží. Ostatně, když Jacobson v roce 1996 nastoupil do Media Lab, jeho bezprostřední ambice zněly skoro stejně bizarně. Chtěl jsem mít displej [obrazovku], na kterou by bylo možné tisknout, vzpomíná Jacobson. Chtěl jsem něco, co by bylo neuvěřitelně levné, něco, co by na papíře vypadalo jako inkoust. Něco, jinými slovy, jako elektronický papír.
Jeho řešením byl riff na výzkum prováděný ve výzkumném středisku Xerox Palo Alto Research Center (PARC) v 70. letech 20. století, kde výzkumníci vytvořili mikroskopické koule, které byly černé nahoře a bílé dole. Elektrický náboj určil, která strana kuliček se otáčí nahoru. S nějakým chytrým zapojením by se z koulí dala vytvořit písmena a slova. Jacobson a hrstka vysokoškoláků z MIT posunuli myšlenku novými směry. Místo aby vyráběli kuličky dvou barev, vyrobili miliony drobných mikrokapslí, z nichž každá obsahovala tekutou směs oleje, tmavého barviva a drobné úlomky bílého pigmentu. Poté navrstvili materiál na pružný plast a vložili jej mezi průhledné elektrody nahoře a dole. V závislosti na použitém náboji migrují bílé úlomky směrem k horní nebo spodní části koule, a když jsou aktivovány společně, mohou elektrody tlačit inkoust do rozeznatelných vzorů.
Zbytek je věcí legend o rizikovém startupu. Společnost E Ink byla založena v roce 1997 s několika Jacobsonovými studenty v čele a od té doby získala téměř 55 milionů dolarů v soukromém financování a uzavřela smlouvy s firmami jako Motorola a Hearst Publishing. Média i vědci prohlásili tuto technologii za konec papíru, jak ji známe. Co se ale ztratilo ve všech těch rozruchách kolem elektronického papíru, je to, že stále potřebujete elektroniku k ovládání pixelů (inkoustu) displejů. Prototypy dosud postavené společností E Ink nadále spoléhají na tradiční (čti: ne levné) křemíkové čipy pro ovládání displeje. Abyste mohli plně využít výhod této technologie, potřebujete levné, flexibilní elektronické obvody. Společnost E Ink se nedávno spojila se společností Lucent Technologies, jejíž výzkumníci pracují na způsobech tisku organických tranzistorů na flexibilní plastové substráty. (Obě společnosti doufají, že letos na podzim odhalí funkční prototyp této technologie.)
Jacobson má však ještě větší ambice. Nejen, že chce vytisknout relativně jednoduché elektronické obvody potřebné k ovládání obrazovky, ale chce jít dalším krokem a najít způsob, jak vyrobit vysoce kvalitní logiku na objednávku Pentia pomocí podobných tiskových metod. Nejen, že byste si mohli vytisknout obrazovku; v jistém smyslu byste mohli vytisknout samotný počítač – nebo alespoň jeho základní obvody.
Anorganický roztok
Vyrobit čip tak výkonný jako Pentium tradičními prostředky není snadný úkol. Zatímco výrobci polovodičů, jako je Intel, se v posledních několika desetiletích naučili tranzistory zmenšovat a zmenšovat, čímž do mikroprocesorů vtlačili mnohem více výkonu, základní mechanika výroby čipů se příliš nezměnila. Základním materiálem zůstává křemík, nakrájený na tenké plátky. Izolační vrstva oxidu křemičitého jde na vršek plátku; na oxid křemičitý je nanesena tenká vrstva fotorezistu (materiál citlivý na světlo). Světelné paprsky promítají vzor obvodu na fotorezist přes šablonu; vzor je pak vyleptán kyselinami nebo reaktivními plyny. Přidají se další vrstvy křemíku, do směsi se přidají příměsi jako bor nebo arsen a nakonec se tranzistory spojí pomocí drobných hliníkových drátků.
Výsledné mikročipy jsou zázrakem inženýrství a jsou z velké části zodpovědné za podporu informační revoluce. Pomocí výrobních závodů za mnoho miliard dolarů mohou nyní Intel a další vyrábět tranzistory o průměru několika stovek nanometrů (nanometr je miliardtina metru) a na jeden čip jich nacpou desítky milionů. Nevýhodou je, že několik set výrobních kroků trvá déle než dva týdny a vyžaduje čisté prostory stokrát nebo tisíckrát nedotčenější než vaše průměrná laboratoř.
Jacobson a jeho student Brent Ridley loni na podzim popsali v časopise Science první tištěné anorganické tranzistory. Několik dalších výzkumných skupin, zejména v Lucent's Bell Labs a Cambridge University v Británii, také tisklo tranzistory. Tyto skupiny však používají organické polymery; takové materiály by mohly být velkým příslibem v elektronice potřebné k výrobě levných, flexibilních displejů. Zdá se však, že organické tranzistory jsou ve své podstatě omezené ve výpočetní rychlosti. Jacobsonův velký průlom je v tom, že on a jeho kolegové z Media Lab vytvořili tekuté suspenze anorganických polovodičů – stejné třídy materiálů, jaké se používají ve vašem čipu Pentium – takže je lze použít v procesu tisku. Jinými slovy, místo vyřezávání logiky do pevného kusu křemíku ji Jacobson jednoduše tiskne na substrát.
Jacobsonův optimismus je ospravedlněn rychlým pokrokem jeho skupiny v syntetizování polovodičového inkoustu. Za normálních podmínek tvoří polovodičové materiály jako křemík, selenid kadmia a arsenid galia objemné krystaly s teplotami tání značně nad 1000 C. Jacobson a jeho tým však našli způsob, jak syntetizovat roztok drobných nanokrystalů o 100 atomech nebo méně. Tento polovodičový inkoust lze vzorovat nebo tisknout na různé substráty, včetně tenkých plastových fólií, při teplotách pod 300 C. Částice, poznamenává Jacobson, jsou dostatečně malé na to, aby vytvořily 200nanometrové struktury, což je rozsah složitých integrovaných obvodů, jako jsou Čip Pentium od Intelu.
Suspenze nanočástic je natolik podobná konvenčním inkoustům, že Jacobson a jeho spolupracovníci jsou schopni použít inkoustovou tiskárnu vyráběnou společností Hitachi k výrobě malých strojů nazývaných MEMS nebo mikroelektromechanické systémy. MEMS, které jsou jednou z nejrychleji rostoucích nových oblastí v technologii materiálů ( vidět Nechť je s vámi mikrosíla , TR září/říjen 1999 ), jsou obvykle vyráběny za použití mnoha stejných obtížných technik používaných k výrobě běžných silikonových mikročipů. Pomocí inkoustové tiskárny se Jacobsonovi a jeho studentům podařilo vyrobit jak funkční tepelný pohon, tak motor s lineárním pohonem s vlastnostmi v řádu 100 mikrometrů pouhým nanesením stovek vrstev inkoustu. A jsou schopni tvarovat drobné stroje bez čisté místnosti a při teplotách hluboko pod 300 C.
Skupina také použila inkoustovou tiskárnu k výrobě mnohem inteligentnějších radiofrekvenčních identifikačních štítků. Jiní také pracují na takových značkách, ale spoléhají na logiku využívající organické tranzistory. Jacobson si myslí, že rychlejší logika možná s anorganickými látkami může učinit jeho verzi štítků mnohem inteligentnější, což společnostem umožní sledovat vše od drahého zboží po balíčky v supermarketu. Detektor rádiového signálu mohl číst zařízení, aktualizovat je a integrovat je do inventárních systémů. Člověk mohl vejít do supermarketu, sebrat nějaké předměty a odejít a peníze by se mu automaticky sečetly a odečetly z jeho bankovního účtu – a ze systému zásob supermarketu.
Použití takových tištěných obvodů je jen začátek. Protože je počítačová logika vytištěna, lze ji umístit na povrch téměř čehokoli: štítky na polévkové plechovky, textilie, plechovky od limonády. Inteligenci můžete přidat téměř ke všemu, co chcete, tvrdí Colin Bulthaup, jeden z Jacobsonových studentů. Jedna věc, kterou chceme udělat, je zabudovat digitální fotoaparát do vizitky: vše je vloženo do samotné karty. Není důvod mít všechny tyto neohrabané silikonové čipy. Můžete vzorovat svůj polovodič, svůj fotodetektor – všechny materiály dohromady – a integrovat je do jediného zařízení, které je neuvěřitelně malé, neuvěřitelně levné a neuvěřitelně rychlé na výrobu.
Výroba takových zařízení pomocí inkoustové tiskárny je však stále na hony vzdálená tisku vysoce kvalitních logických obvodů. To vyžaduje výrobu tranzistorů a dalších elektronických součástek v měřítku několika stovek nanometrů – což je úroveň přesnosti v čipu Pentium. Za tímto účelem Jacobson použil polymerová razítka, která se příliš neliší od razítek používaných k certifikaci dokumentů. V jedné verzi má razítko architekturu obvodu v pozitivním reliéfu a je ponořeno do nanočásticového inkoustu; obvod je pak přenesen ručně na substrát. Slibné je také negativní razítko, které razí tenkou vrstvu inkoustu dříve nanesenou na plastový povrch. Vlastnosti razítka odtlačují inkoust v určitých bodech a tvoří jakýkoli prvek vyrytý na razítku v rozlišení 200 nanometrů.
Výzva pro Pentium
To vše je mocná atraktivní vize. Ale může tištěná elektronika skutečně konkurovat továrnám za mnoho miliard dolarů ve výrobě přesných obvodů potřebných pro vysoce kvalitní logiku? Sigurd Wagner si to nemyslí. Profesor elektrotechniky na Princetonské univerzitě Wagner také pokračuje ve výzkumu tištěné anorganické logiky, ale jeho příslib vidí v levné elektronice, kterou lze použít na velkých plochách, nikoli v přijímání vysoce kvalitních mikroprocesorů.
Jeho cílem, říká Wagner, není soutěžit s technologií integrovaných obvodů; jde do oblasti, kterou tradiční integrované obvody nezvládnou. Mezi atraktivní aplikace patří tapety, které působí jako obří displej, elektronika vetkaná do textilií – dokonce i elektronická kůže pokrývající letadlo, které je schopné mechanicky reagovat na měnící se podmínky.
Jacobson souhlasí s tím, že krátkodobá odměna přijde ve výrobě levné, flexibilní elektroniky, která by takové aplikace mohla umožnit. Existuje obrovské množství aplikací pro neuvěřitelně levnou jednorázovou logiku s nízkou spotřebou energie na plastových substrátech, říká. A prozatím jsou Jacobsonovy tištěné obvody pro tato použití vhodnější. Jednak jsou stále příliš pomalé pro pokročilé logické aplikace; zatímco Jacobsonovy anorganické tranzistory jsou řádově rychlejší než tištěné organické tranzistory vyrobené společností Lucent a dalšími výzkumnými skupinami, jsou stále 100krát pomalejší než nejlepší anorganické tranzistory vyrobené konvenčními technikami.
Vytváření čipů podobných Pentiu zítřka na stolním počítači však zůstává zábleskem v Jacobsonových očích. To bude vyžadovat zvýšení rychlosti tištěné anorganické logiky. Je to pravděpodobně několikaletý výzkumný projekt, říká, ale věříme, že je proveditelný.
Je to přesně ten typ výzvy a nesmírně ambiciózního projektu, který si Jacobson libuje. Je to typ projektu, který vás nutí přehodnotit možnosti velmi známého objektu. S E Ink dává nový šmrnc velmi starému vynálezu – tištěné stránce. Spíše než vyhodit noviny, chce Jacobson zachovat jejich přednosti a zároveň je aktualizovat pro informační věk. A nyní přemýšlí o výrobě integrovaných obvodů. Pokud Jacobson dokáže své vize tištěných obvodů uvést do praxe, mohl by změnit význam hardwaru a nahradit multimiliardovou polovodičovou továrnu něčím, co se příliš neliší od známek, které existují po tisíce let.
Zatímco zbytek výpočetního průmyslu se pokouší srazit ceny hardwaru pomocí hromadné výroby několika standardizovaných čipů, Jacobson jde opačným směrem a snaží se z každého člověka udělat pána – a výrobce – své vlastní logiky.