211service.com
IBM: Kommercielle nanorørtransistorer kommer snart
I mere end et årti har ingeniører ærgret sig over, at de er ved at løbe tør for tricks til at fortsætte med at krympe siliciumtransistorer. Intels seneste chips har transistorer med funktioner så små som 14 nanometer, men det er uklart, hvordan industrien kan blive ved med at nedskalere siliciumtransistorer meget yderligere, eller hvad der kan erstatte dem.
Chip test : Hver chip på denne wafer har 10.000 nanorørtransistorer på. IBM håber at være i stand til at sætte milliarder af enhederne på en enkelt chip kort efter 2020.
Et projekt hos IBM sigter nu på at få bygget transistorer ved hjælp af kulstof-nanorør klar til at tage over fra siliciumtransistorer kort efter 2020. Ifølge halvlederindustriens køreplan skal transistorer på det tidspunkt have funktioner så små som fem nanometer for at holde trit med det kontinuerlige miniaturisering af computerchips. Det er her, siliciumskalering løber tør for damp, og der er virkelig ikke andet, siger Wilfried Haensch, der leder virksomhedens nanorør-projekt på virksomhedens T.J. Watson forskningscenter i Yorktown Heights, New York. Nanorør er den eneste teknologi, der ser ud til at være i stand til at forhindre fremskridt inden for computerkraft i at bremse, ved at tilbyde en praktisk måde at lave både mindre og hurtigere transistorer på, siger han.
I 1998 lavede forskere ved IBM en af de første fungerende kulstofnanorørtransistorer. Og nu, efter mere end ti års forskning, er IBM den første store virksomhed, der forpligter sig til at gøre teknologien klar til kommercialisering.
Vi har tidligere arbejdet på det som en slags sandkasse, siger James Hannon , leder af IBMs molekylære samlinger og enhedsgruppe. Hannon ledede IBM's nanorør-arbejde før Haensch, der tog over i 2011 efter en karriere med at fremstille konventionelle chips. Wilfried sluttede sig til med en siliciumteknologisk baggrund [og] vores fokus ændrede sig virkelig.
Haenschs team valgte målet for kommercialisering baseret på tidsplanen for tekniske forbedringer, som chipindustrien har udarbejdet for at holde Moores lov i live, en forudsigelse, der stammer fra 1965, om, at antallet af transistorer, der kunne proppes i et kredsløb, ville fordobles hvert andet år. Generationer af chipfremstillingsteknologi er kendt på størrelsen af den mindste struktur, de kan skrive ind i en chip. Den nuværende bedste er 14 nanometer, og i 2020 skal industrien være nede på fem nanometer for at kunne følge med Moores lov. Dette er det punkt, IBM håber, at nanorør kan træde til seneste rapport fra mikrochipindustrigruppen ITRS siger, at den såkaldte fem-nanometer-knude kommer i 2019.
IBM har for nylig lavet chips med 10.000 nanorør-transistorer (se Sådan bygger du en nanorør-computer). Nu arbejder man på et transistordesign, der kunne bygges på de siliciumskiver, der bruges i industrien i dag, med minimale ændringer af eksisterende design og fremstillingsmetoder. Designet blev til dels valgt ud fra simuleringer, der evaluerede ydeevnen af en chip med milliarder af transistorer. Disse simuleringer tyder på, at det valgte design skulle tillade en mikroprocessor at være fem gange så hurtig som en silicium, der bruger den samme mængde strøm.
IBMs valgte design bruger seks nanorør, der er linet op parallelt for at lave en enkelt transistor. Hvert nanorør er 1,4 nanometer bredt, omkring 30 nanometer langt og med en afstand på omkring otte nanometer fra naboerne. Begge ender af de seks rør er indlejret i elektroder, der leverer strøm, hvilket efterlader omkring 10 nanometer af deres længder blotlagt i midten. En tredje elektrode løber vinkelret under denne del af rørene og tænder og slukker transistoren for at repræsentere digitale 1'ere og 0'ere.
IBM-teamet har testet nanorørtransistorer med det design, men indtil videre har det ikke fundet en måde at placere nanorørene tæt nok sammen, fordi eksisterende chipteknologi ikke kan fungere i den skala. Den foretrukne løsning er at mærke substratet og nanorørene kemisk med forbindelser, der ville få dem til at samle sig selv på plads. Disse forbindelser kunne derefter fjernes og efterlade nanorørene arrangeret korrekt og klar til at få tilføjet elektroder og andre kredsløb for at færdiggøre en chip.
Haenschs team køber nanorør i løs vægt fra industrielle leverandører og filtrerer rørene fra med de rigtige egenskaber til transistorer ved hjælp af en modificeret version af en maskine, der bruges til at filtrere molekyler såsom proteiner i medicinalindustrien. Den bruger elektrisk ladning til at adskille halvledende nanorør, der er nyttige til transistorer, fra dem, der leder elektricitet som metaller og ikke kan bruges til transistorer.
Sidste år skabte forskere ved Stanford den første simple computer bygget ved hjælp af kun nanorørtransistorer (se The First Nanotube Computer). Men disse komponenter var voluminøse og langsomme sammenlignet med siliciumtransistorer, siger Subhasish Mitra , en professor, der arbejdede på projektet. Vi ved nu, at man kan bygge noget brugbart med kulstofnanorør, siger han. Spørgsmålet er, hvordan du får den ydeevne, du har brug for?
Selvom IBM ikke har fundet ud af, hvordan man laver nanorørtransistorer små nok til masseproduktion, siger Mirta, at de har taget konkrete skridt og har udtænkt processer, der skulle være tilgængelige for halvlederindustrien.
Men indtil videre forbliver IBMs nanorør-indsats inden for dets forskningslaboratorier, ikke dets halvlederforretningsenhed. Og forskerne er åbne omkring, at succes ikke er garanteret. Især hvis nanorørtransistorerne ikke er klar kort efter 2020, når industrien har brug for dem, kan mulighedsvinduet være lukket, siger IBMs Hannon.
Hvis nanorør ikke klarer det, er der ikke meget andet, der viser meget potentiale til at overtage fra siliciumtransistorer i den tidsramme. Enheder, der manipulerer individuelle elektroners spin, er den tættest mulige kandidat (se Silicon-Based Spintronics), men de er mindre modne, og i modsætning til kulstofnanorør opfører de sig ikke på samme måde som siliciumtransistorer, siger Hannon.