211service.com
Den første karbon nanorør-datamaskinen
For første gang har forskere bygget en datamaskin hvis sentrale prosessor er basert utelukkende på karbon nanorør, en form for karbon med bemerkelsesverdige materialer og elektroniske egenskaper. Datamaskinen er treg og enkel, men skaperne, en gruppe ingeniører ved Stanford University, sier at den viser at karbon nanorørelektronikk er en levedyktig potensiell erstatning for silisium når den når sine grenser i stadig mindre elektroniske kretser.
Rørbrikke: Dette skanningselektronmikroskopibildet viser et utsnitt av den første datamaskinen med karbon nanorør noensinne. Bildet ble farget for å identifisere ulike deler av brikken.
Karbon nanorør-prosessoren er sammenlignbar i egenskaper med Intel 4004 , sier selskapets første mikroprosessor, som ble utgitt i 1971 Subhasish Mitra , en elektroingeniør ved Stanford og en av prosjektets medledere. Datamaskinen, beskrevet i dag i journalen Natur , kjører et enkelt programvareinstruksjonssett kalt MIPS. Den kan bytte mellom flere oppgaver (telle og sortere tall) og holde styr på dem, og den kan hente data fra og sende dem tilbake til et eksternt minne.
Nanorør-prosessoren består av 178 transistorer, som hver inneholder karbon nanorør som er omtrent 10 til 200 nanometer lange. Stanford-gruppen sier de har laget seks versjoner av karbon nanorør-datamaskiner, inkludert en som kan kobles til ekstern maskinvare - et numerisk tastatur som kan brukes til å legge inn tall for tillegg.
Aaron Franklin , en forsker ved IBM Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, sier at sammenligningen med 4004 og andre tidlige silisiumprosessorer er treffende. Dette er en kjempefin demonstrasjon for folk i elektronikkmiljøet som har tvilt på karbon-nanorør, sier han.
Franklins gruppe har vist at individuelle nanorørtransistorer i karbon - mindre enn 10 nanometer - er raskere og mer energieffektive enn de som er laget av noe annet materiale, inkludert silisium. Teoretisk arbeid har også antydet at en karbon nanorørdatamaskin ville være en størrelsesorden mer energieffektiv enn de beste silisiumdatamaskinene. Og nanomaterialets evne til å spre varme antyder at karbon nanorør-datamaskiner kan kjøre blemme raskt uten å varmes opp – et problem som setter hastighetsgrenser for silisiumprosessorene i dagens datamaskiner.
Likevel tviler noen på at karbon nanorør vil erstatte silisium. Å jobbe med karbon nanorør er en stor utfordring. De er vanligvis dyrket på en måte som etterlater dem i et sammenfiltret rot, og omtrent en tredjedel av rørene er metalliske, snarere enn halvledende, noe som forårsaker kortslutninger.
I løpet av de siste årene har Mitra samarbeidet med Stanfords elektroingeniør Philip Wong , som har utviklet måter å omgå noen av materialutfordringene som har forhindret dannelsen av komplekse kretsløp fra karbon-nanorør. Wong utviklet en metode for å dyrke stort sett veldig rette nanorør på kvarts, og deretter overføre dem til et silisiumsubstrat for å lage transistorene. Stanford-gruppen dekker også de aktive områdene på transistorene med et beskyttende belegg, og etser deretter bort eventuelle eksponerte nanorør som har kommet på avveie.
Wong og Mitra bruker også en spenning for å slå av alle de halvledende nanorørene på en brikke. Deretter pulserer de en stor strøm gjennom brikken; de metalliske varmes opp, oksiderer og går i oppløsning. Alle disse nanorørspesifikke rettelsene – og resten av produksjonsprosessen – kan gjøres på standardutstyret som brukes til å lage dagens silisiumbrikker. Sånn sett er prosessen skalerbar.
Sent i forrige måned kl Hot Chips , en ingeniørdesignkonferanse arrangert, tilfeldigvis, på Stanford, direktøren for Microsystems Technology Office ved DARPA gjorde oppsikt ved å diskutere slutten på silisiumelektronikk. I en keynote, Robert Colwell , tidligere sjefsarkitekt hos Intel, spådde at allerede i 2020 vil dataindustrien ikke lenger være i stand til å gjøre ytelsesforbedringer og kostnadsforbedringer ved å doble tettheten av silisiumtransistorer på brikker hver 18. til 24. måned – en bragd kalt Moores lov etter Intels medgründer Gordon Moore, som først observerte trenden.
Mitra og Wong håper datamaskinen deres viser at karbon nanorør kan være et seriøst svar på spørsmålet om hva som kommer videre. Så langt er ingen nye teknologier i nærheten av å berøre silisium. Av alle de fremvoksende materialene og nye ideene som ble holdt frem som mulige frelsere – nanotråder, spintronikk, grafen, biologiske datamaskiner – har ingen laget en sentral prosesseringsenhet basert på noen av dem, sier Mitra. I den sammenheng er det spennende å ta igjen silisiums ytelse rundt 1970, selv om det gjenstår mye arbeid.
Victor Zhirnov , en spesialist i nanoelektronikk ved Semiconductor Research Corporation i Durham, North Carolina, er mye mer forsiktig optimistisk. Nanotube-prosessoren har 10 millioner ganger færre transistorer på seg enn dagens typiske mikroprosessorer, kjører mye saktere og opererer med fem ganger spenningen, noe som betyr at den bruker omtrent 25 ganger så mye strøm, bemerker han.
Noe av nanorør-datamaskinens treghet skyldes forholdene den ble bygget under - i et akademisk laboratorium ved å bruke det Stanford-gruppen hadde tilgang til, ikke en industristandardfabrikk. Prosessoren er koblet til en ekstern harddisk, som fungerer som minnet, gjennom en stor bunt med elektriske ledninger, som hver kobles til en stor metallpinne på toppen av nanorørprosessoren. Hver av pinnene kobles i sin tur til en enhet på brikken. Denne rotete innpakningen betyr at dataene må reise lengre avstander, noe som reduserer effektiviteten til datamaskinen.
Med verktøyene for hånden kan heller ikke Stanford-gruppen lage transistorer mindre enn omtrent én mikrometer – sammenlign det med Intels kunngjøring tidligere denne måneden om at den neste produktlinjen vil bygges på 14-nanometer-teknologi. Hvis imidlertid gruppen skulle gå inn i en toppmoderne fab, ville produksjonsutbyttet forbedres nok til å kunne lage datamaskiner med tusenvis av mindre transistorer, og datamaskinen kunne kjøre raskere.
For å nå det suverene ytelsesnivået som teoretisk tilbys av nanorør, må forskerne lære å bygge komplekse integrerte kretser som består av uberørte enkeltnanorørtransitatorer. Franklin sier at enhets- og materialeksperter som hans gruppe hos IBM må begynne å jobbe i tettere samarbeid med kretsdesignere som de hos Stanford for å gjøre virkelige fremskritt.
Vi er godt klar over at silisium går tom for damp, og innen 10 år går det mot slutten, sier Zhirnov. Hvis karbon-nanorør skal bli praktiske, må det skje raskt.