211service.com
Den første Carbon Nanorør-computer
For første gang har forskere bygget en computer, hvis centrale processor udelukkende er baseret på kulstof nanorør, en form for kulstof med bemærkelsesværdige materiale og elektroniske egenskaber. Computeren er langsom og enkel, men dens skabere, en gruppe Stanford University-ingeniører, siger, at den viser, at kulstof-nanorørelektronik er en levedygtig potentiel erstatning for silicium, når det når sine grænser i stadigt mindre elektroniske kredsløb.
Rør chip: Dette scanningselektronmikroskopbillede viser et udsnit af den første kulstof-nanorør-computer nogensinde. Billedet blev farvet for at identificere forskellige dele af chippen.
Kulstof nanorør-processoren er sammenlignelig i egenskaber med Intel 4004 , siger firmaets første mikroprocessor, som blev udgivet i 1971 Subhasish Mitra , en elektroingeniør hos Stanford og en af projektets medledere. Computeren, beskrevet i dag i journalen Natur , kører et simpelt software-instruktionssæt kaldet MIPS. Den kan skifte mellem flere opgaver (tælle og sortere tal) og holde styr på dem, og den kan hente data fra og sende dem tilbage til en ekstern hukommelse.
Nanorørprocessoren er opbygget af 178 transistorer, som hver indeholder kulstofnanorør, der er omkring 10 til 200 nanometer lange. Stanford-gruppen siger, at den har lavet seks versioner af kulstof nanorør-computere, inklusive en, der kan forbindes til ekstern hardware - et numerisk tastatur, der kan bruges til at indtaste tal til tilføjelse.
Aaron Franklin , en forsker ved IBM Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, siger, at sammenligningen med 4004 og andre tidlige siliciumprocessorer er passende. Dette er en fantastisk demonstration for folk i elektronikmiljøet, der har tvivlet på kulstofnanorør, siger han.
Franklins gruppe har vist, at individuelle kulstof-nanorørtransistorer - mindre end 10 nanometer - er hurtigere og mere energieffektive end dem, der er lavet af noget andet materiale, inklusive silicium. Teoretisk arbejde har også antydet, at en kulstof nanorør-computer ville være en størrelsesorden mere energieffektiv end de bedste siliciumcomputere. Og nanomaterialets evne til at sprede varme tyder på, at kulstof-nanorør-computere kan køre blæsende hurtigt uden at blive varmet op - et problem, der sætter hastighedsgrænser for siliciumprocessorerne i nutidens computere.
Alligevel tvivler nogle mennesker på, at kulstof nanorør vil erstatte silicium. At arbejde med kulstofnanorør er en stor udfordring. De dyrkes typisk på en måde, der efterlader dem i et sammenfiltret rod, og omkring en tredjedel af rørene er metalliske snarere end halvledende, hvilket forårsager kortslutninger.
I løbet af de sidste mange år har Mitra samarbejdet med Stanfords elektriske ingeniør Philip Wong , som har udviklet måder at omgå nogle af de materialeudfordringer, der har forhindret skabelsen af komplekse kredsløb fra kulstofnanorør. Wong udviklede en metode til at dyrke for det meste meget lige nanorør på kvarts og derefter overføre dem til et siliciumsubstrat for at lave transistorerne. Stanford-gruppen dækker også transistorernes aktive områder med en beskyttende belægning og ætser derefter eventuelle blottede nanorør væk, der er kommet på afveje.
Wong og Mitra anvender også en spænding for at slå alle de halvledende nanorør på en chip fra. Så pulserer de en stor strøm gennem chippen; de metalliske opvarmes, oxideres og går i opløsning. Alle disse nanorør-specifikke rettelser - og resten af fremstillingsprocessen - kan udføres på standardudstyret, der bruges til at fremstille nutidens siliciumchips. I den forstand er processen skalerbar.
Sidste måned kl Hot Chips , en ingeniørdesignkonference, som tilfældigvis var vært i Stanford, skabte direktøren for Microsystems Technology Office på DARPA røre ved at diskutere slutningen af siliciumelektronik. I en keynote, Robert Colwell , tidligere chefarkitekt hos Intel, forudsagde, at computerindustrien allerede i 2020 ikke længere vil være i stand til at lave ydeevne- og omkostningsforbedringer ved at fordoble tætheden af siliciumtransistorer på chips hver 18. til 24. måned – en bedrift kaldet Moores lov efter Intel-medstifteren Gordon Moore, som først observerede tendensen.
Mitra og Wong håber, at deres computer viser, at kulstof nanorør kan være et seriøst svar på spørgsmålet om, hvad der kommer næste gang. Indtil videre er ingen nye teknologier i nærheden af at røre silicium. Af alle de nye materialer og nye ideer, der holdes frem som mulige frelsere - nanotråde, spintronik, grafen, biologiske computere - har ingen lavet en central behandlingsenhed baseret på nogen af dem, siger Mitra. I den sammenhæng er det spændende at indhente siliciums ydeevne omkring 1970, selvom det lader meget arbejde tilbage.
Victor Zhirnov , specialist i nanoelektronik ved Semiconductor Research Corporation i Durham, North Carolina, er meget mere forsigtig optimistisk. Nanorør-processoren har 10 millioner gange færre transistorer på sig end nutidens typiske mikroprocessorer, kører meget langsommere og fungerer ved fem gange spændingen, hvilket betyder, at den bruger omkring 25 gange så meget strøm, bemærker han.
Noget af nanorørs-computerens træghed skyldes de betingelser, som den blev bygget under - i et akademisk laboratorium ved hjælp af det, som Stanford-gruppen havde adgang til, ikke en industristandardfabrik. Processoren er forbundet til en ekstern harddisk, der fungerer som hukommelsen, gennem et stort bundt af elektriske ledninger, som hver forbindes til en stor metalstift oven på nanorørprocessoren. Hver af stifterne forbindes igen til en enhed på chippen. Denne rodede emballage betyder, at data skal rejse længere afstande, hvilket skærer ned i computerens effektivitet.
Med værktøjerne ved hånden kan Stanford-gruppen heller ikke lave transistorer mindre end omkring en mikrometer - sammenlign det med Intels meddelelse tidligere på måneden om, at den næste produktlinje vil blive bygget på 14 nanometer teknologi. Hvis gruppen imidlertid skulle gå ind i en avanceret fab, ville dens produktionsudbytte forbedres nok til at kunne lave computere med tusindvis af mindre transistorer, og computeren kunne køre hurtigere.
For at nå det fremragende præstationsniveau, som teoretisk tilbydes af nanorør, bliver forskere nødt til at lære, hvordan man bygger komplekse integrerede kredsløb, der består af uberørte enkelt nanorør-transitatorer. Franklin siger, at enheds- og materialeeksperter som hans gruppe hos IBM skal begynde at arbejde i tættere samarbejde med kredsløbsdesignere som dem hos Stanford for at gøre reelle fremskridt.
Vi er godt klar over, at silicium er ved at løbe tør for damp, og inden for 10 år er det ved at være slut, siger Zhirnov. Hvis kulstofnanorør skal blive praktiske, skal det ske hurtigt.