Udskriv din næste pc

Som Joseph Jacobson er glad for at påpege, er et typisk integreret kredsløb - hjernen bag din computer - stadig alt for dyrt for de fleste mennesker på planeten, på trods af alle gevinsterne i halvlederchipperformance i løbet af de sidste par årtier. Se på den måde, [en chip] er lavet på, siger han og slår luften med den ene hånd, mens han leder en PowerPoint-præsentation med den anden. At fremstille en logisk chip af høj kvalitet som Intels Pentium-processor, påpeger han, tager to uger, syv dage om ugen, 24 timer i døgnet. Chipfremstillingsfaciliteter som dem, Intel har, er et værktøj til $1,6 milliarder. Og der er meget få mennesker på kloden, der kan røre ved det værktøj.

Jacobsons løsning: en stationær fab, der er i stand til at printe kredsløb direkte på et substrat, såsom plastik, uden omkostningerne og besværet med en produktionsfacilitet på flere milliarder dollar. Jacobson, leder af Printed PC Group på MITs Media Lab, har allerede formået at printe rudimentære, men fungerende transistorer ved hjælp af en blæk, der består af nanometer-størrelse halvlederpartikler. Vores mål er at følge den bane, silicium tog, og begynde at printe processorer med måske flere hundrede transistorer, flytte til tusinder og derefter mere, siger Jacobson. Vi skulle være i stand til at demonstrere en meget enkel processor i de næste 12 til 18 måneder. Og han forudser, at printede logiske chips med hastigheden og kraften som en Pentium i sidste ende kunne være mulige, hvilket gør mikrochips tilgængelige for en brøkdel af den tid og udgifter, der er forbundet med konventionel fremstilling.

Hvis Jacobsons vision bliver til virkelighed, kan det ændre alt i computerhardware. Trykt elektronik kunne være billig nok til at finde vej til alt fra tapet, der kan vise foranderlige billeder, til specialdesignede logiske kredsløb. En chipfabrik på hver desktop kunne skabe den dag, hvor enkeltpersoner downloader arkitekturen af ​​integrerede kredsløb, som de downloader software i dag. Det kunne kort sagt transformere hardwarefremstilling meget på samme måde, som open source-bevægelsen har ændret, hvordan software er skrevet. Faktisk, på hans mest visionære, hævder Jacobson, at trykt logik kunne give anledning til en open source-hardwarebevægelse, hvor chips specialdesignes via internettet og printes af forbrugeren på omtrent samme tid, det tager at udskrive en webside. Du kunne, siger Jacobson, downloade chipdesignet fra nettet, binde nogle modifikationer ind fra en eller anden fyr i Indien, og enheden kommer til at springe ud.

Det er frokosttid i Jacobsons laboratorium, et vinduesløst rum med sammenfiltrede farvede kabler, der dingler fra væggene og loftet, og en række kemiske hætter placeret langs den ene væg. Jacobsons entusiasme er smitsom, og det trange laboratorium er åbenbart der, hvor han og hans håndfuld elever tilbringer det meste af deres tid, også når de spiser. Det, vi er interesserede i, er, at give mig et stykke plastik, og om et par sekunder giver jeg dig en Pentium tilbage,' eller noget af den kompleksitet, siger han mellem mundfulderne. Det mener jeg seriøst. Ikke langsommere end en Pentium; ikke kan skelnes fra en Pentium.

Kommer fra næsten alle andre, ville en sådan påstand være svær at sluge. Men den 35-årige lektor har akkreditiver til at levere varen. Når alt kommer til alt, da Jacobson kom til Media Lab i 1996, lød hans umiddelbare ambition næsten lige så besynderlig. Jeg ville have en skærm, der kunne udskrives, husker Jacobson. Jeg ville have noget, der var utroligt billigt, noget, der ville ligne blæk på papir. Noget, med andre ord, som elektronisk papir.

Hans løsning var et riff om forskning udført på Xerox Palo Alto Research Center (PARC) i 1970'erne, hvor forskere havde skabt mikroskopiske bolde, der var sorte på toppen, hvide i bunden. En elektrisk ladning bestemte, hvilken side af kuglerne roterede opad. Med nogle smarte ledninger kunne kuglerne laves til at danne bogstaver og ord. Jacobson og en håndfuld MIT-studenter skubbede ideen i nye retninger. I stedet for at lave kugler i to farver, fremstillede de millioner af bittesmå mikrokapsler, der hver indeholdt en flydende blanding af olie, mørkt farvestof og bittesmå skår af hvidt pigment. De lagde derefter materialet i lag på fleksibel plast og lagde det mellem gennemsigtige elektroder på top og bund. Afhængigt af den påførte ladning migrerer de hvide skår mod toppen eller bunden af ​​kuglen, og når de aktiveres sammen, kan elektroderne tvinge blækket ind i genkendelige mønstre.

Resten er sagen om venture-startup-legender. E Ink blev dannet i 1997 med flere af Jacobsons elever i spidsen og har siden rejst næsten 55 millioner dollars i privat finansiering og indgået aftaler med f.eks. Motorola og Hearst Publishing. Både medier og eksperter har udråbt teknologien som slutningen på papir, som vi kender det. Men det, der gik tabt i al den summen over elektronisk papir, er, at du stadig har brug for elektronik til at drive pixels (blækket) på skærmene. De prototyper, der hidtil er bygget af E Ink, er fortsat afhængige af traditionelle (læs: ikke billige) siliciumchips til at styre skærmen. For at høste det fulde udbytte af teknologien har du brug for billige, fleksible elektroniske kredsløb. E Ink har for nylig indgået et samarbejde med Lucent Technologies, hvis forskere har arbejdet på måder at printe organiske transistorer på fleksible plastiksubstrater. (De to virksomheder håber at afsløre en fungerende prototype af teknologien til efteråret.)

Jacobson har dog endnu større ambitioner. Ikke alene ønsker han at udskrive det relativt enkle elektroniske kredsløb, der kræves for at styre en skærm, han ønsker at gå det næste skridt og finde en måde at fremstille logik af høj kvalitet i størrelsesordenen af ​​en Pentium ved hjælp af lignende udskrivningsmetoder. Ikke kun ville du være i stand til at udskrive din skærm; du kunne på en måde printe selve pc'en - eller i det mindste dens væsentlige kredsløb.

Uorganisk opløsning

At lave en chip så kraftfuld som en Pentium med traditionelle midler er ikke en let bedrift. Mens halvlederproducenter som Intel har lært at gøre transistorer mindre og mindre i løbet af de sidste par årtier og presset meget mere ydeevne ind i mikroprocessorerne, har den grundlæggende mekanik i chipfremstilling ikke ændret sig meget. Grundmaterialet forbliver silicium, skåret i tynde skiver. Et isolerende lag af siliciumdioxid går oven på waferen; et tyndt lag fotoresist (et lysfølsomt materiale) aflejres på siliciumdioxidet. Lysstråler projicerer kredsløbets mønster på fotoresisten gennem en stencil; mønstret ætses derefter ud af syrer eller reaktive gasser. Yderligere lag silicium tilsættes, dopingmidler som bor eller arsen tilsættes i blandingen, og til sidst forbindes transistorerne ved hjælp af bittesmå aluminiumstråde.

De resulterende mikrochips er et vidunder af ingeniørkunst og er i vid udstrækning ansvarlige for at give næring til informationsrevolutionen. Ved at bruge multimilliard-dollar-fabrikker kan Intel og andre nu lave transistorer så små som et par hundrede nanometer på tværs (en nanometer er en milliardtedel af en meter) og pakke titusinder af dem på en enkelt chip. Ulempen er, at de flere hundrede fremstillingstrin tager op til to uger og kræver rene rum hundredvis eller tusindvis af gange mere uberørt end dit gennemsnitlige laboratorium.

Sidste efterår beskrev Jacobson og hans elev Brent Ridley i tidsskriftet Science de første trykte uorganiske transistorer. Flere andre forskningsgrupper, især ved Lucent's Bell Labs og Cambridge University i Storbritannien, har også trykt transistorer. Disse grupper bruger imidlertid organiske polymerer; sådanne materialer kunne have et stort løfte i den elektronik, der kræves for at lave billige, fleksible skærme. Men organiske transistorer ser ud til at være i sagens natur begrænset i computerhastighed. Jacobsons store gennembrud er, at han og hans kolleger på Media Lab har skabt flydende suspensioner af uorganiske halvledere - den samme klasse af materialer, der bruges i din Pentium-chip - så de kan bruges i en printproces. Med andre ord, i stedet for at skære logik ind i et solidt stykke silicium, udskriver Jacobson det simpelthen på et underlag.

Jacobsons optimisme retfærdiggøres af hans gruppes hurtige fremskridt inden for syntetisering af halvlederblæk. Under normale forhold danner halvledende materialer som silicium, cadmiumselenid og galliumarsenid bulkkrystaller med smeltepunkter langt over 1000 C. Jacobson og hans team har dog fundet en måde at syntetisere en opløsning af bittesmå nanokrystaller på 100 atomer eller mindre. Denne halvlederblæk kan mønstres eller udskrives på en række forskellige substrater, herunder tynde plastplader, ved temperaturer under 300 C. Partiklerne, bemærker Jacobson, er små nok til at danne 200 nanometer strukturer - på størrelse med komplekse integrerede kredsløb som f.eks. Intels Pentium-chip.

Suspensionen af ​​nanopartikler minder så meget om konventionelt blæk, at Jacobson og hans medarbejdere er i stand til at bruge en inkjetprinter fremstillet af Hitachi til at fremstille små maskiner kaldet MEMS eller mikroelektromekaniske systemer. MEMS, som er et af de hurtigst voksende nye områder inden for materialeteknologi ( se Må Micro Force være med dig , TR september/oktober 1999 ), fremstilles typisk ved hjælp af mange af de samme besværlige teknikker, der bruges til at fremstille konventionelle siliciummikrochips. Ved at bruge inkjetprinteren har Jacobson og hans elever formået at skabe både en fungerende termisk aktuator og en lineær-drevet motor med funktioner i størrelsesordenen 100 mikrometer ved blot at afsætte hundredvis af lag blæk. Og de er i stand til at danne de bittesmå maskiner uden et rent rum og ved temperaturer godt under 300 C.

Gruppen har også brugt inkjetprinteren til at producere meget mere intelligente radiofrekvensidentifikationsmærker. Andre arbejder også på sådanne tags, men er afhængige af logik ved hjælp af organiske transistorer. Jacobson mener, at den hurtigere mulige logik med uorganiske stoffer kan gøre hans version af tags langt mere intelligent, hvilket gør det muligt for virksomheder at spore alt fra dyre varer til pakkerne i et supermarked. En radiosignaldetektor kunne læse enhederne, opdatere dem og integrere dem i lagersystemer. En person kunne gå ind i et supermarked, hente nogle varer og gå ud, og pengene ville automatisk blive talt op og trukket fra hans eller hendes bankkonto - og fra supermarkedets lagersystem.

At bruge trykte kredsløb som det er kun begyndelsen. Fordi computerlogikken er printet, kan den sættes på overfladen af ​​næsten alt: suppedåseetiketter, tekstiler, sodavandsdåser. Du kan tilføje intelligens til næsten alt, hvad du vil, hævder Colin Bulthaup, en af ​​Jacobsons elever. En ting, vi vil gøre, er at bygge et digitalkamera i et visitkort: alt indlejret i selve kortet. Der er ingen grund til at have alle disse klodsede siliciumchips. Du kan mønstre din halvleder, din fotodetektor - alle materialerne sammen - og integrere dem i en enkelt enhed, en der er utrolig lille, utrolig billig og utrolig hurtig at producere.

At lave sådanne enheder ved hjælp af en inkjetprinter er dog stadig langt fra at udskrive logiske kredsløb af høj kvalitet. Det kræver fremstilling af transistorer og andre elektroniske komponenter i størrelsesordenen et par hundrede nanometer - præcisionsniveauet i en Pentium-chip. Til det har Jacobson gjort brug af polymerstempler, der ikke ser så anderledes ud end de stempler, der bruges til at attestere dokumenter. I en version har stemplet kredsløbets arkitektur i positivt relief og er dyppet i nanopartikelblæk; kredsløbet overføres derefter manuelt til et substrat. Også lovende er et negativt stempel, der præger et tyndt lag blæk, der tidligere er afsat på en plastikoverflade. Frimærkets træk skubber blækket til side på visse punkter og danner det træk, der er indgraveret på frimærket ved opløsninger på 200 nanometer.

Pentium udfordring

Dette er alt sammen en mægtig attraktiv vision. Men kan trykt elektronik faktisk konkurrere med mange milliarder dollars fabs i at lave det krævende kredsløb, der er nødvendigt for logik af høj kvalitet? Det mener Sigurd Wagner for det første ikke. Wagner, som er professor i elektroteknik ved Princeton University, forsker også i trykt uorganisk logik, men han ser dets løfte i billig elektronik, der kan bruges over store overflader, ikke i at tage mikroprocessorer af høj kvalitet.

Hans mål, siger Wagner, er ikke at konkurrere med integreret kredsløbsteknologi; det er at gå ind i et område, som traditionelle integrerede kredsløb ikke kan håndtere. Attraktive applikationer omfatter tapet, der fungerer som en kæmpe skærm, elektronik vævet ind i tekstiler - endda elektronisk hud, der dækker et fly, der er i stand til at reagere mekanisk på skiftende forhold.

Jacobson er enig i, at det kortsigtede udbytte vil komme ved at producere den billige, fleksible elektronik, der kunne gøre sådanne applikationer mulige. Der er et stort antal applikationer til utrolig billig engangslogik med lav effekt på plastiksubstrater, siger han. Og indtil videre er Jacobsons trykte kredsløb bedre egnet til disse anvendelser. For det første er de stadig alt for langsomme til avancerede logiske applikationer; mens Jacobsons uorganiske transistorer er en størrelsesorden hurtigere end de trykte organiske transistorer lavet af Lucent og andre forskningsgrupper, er de stadig 100 gange langsommere end de bedste uorganiske transistorer fremstillet af konventionelle teknikker.

Men at lave morgendagens Pentium-lignende chips på en stationær fab forbliver glimtet i Jacobsons øje. Det vil kræve at øge hastigheden af ​​den trykte uorganiske logik. Det er sandsynligvis et flereårigt forskningsprojekt, siger han, men vi tror på, at det kan lade sig gøre.

Det er netop den type udfordring og et enormt ambitiøst projekt, som Jacobson kan lide. Det er den type projekt, der får dig til at genoverveje mulighederne for et meget velkendt objekt. Med E Ink giver han et nyt twist til en meget gammel opfindelse - den trykte side. I stedet for at smide avisen ud, ønsker Jacobson at bevare dens dyder og samtidig opdatere den til informationsalderen. Og nu genovervejer han fremstillingen af ​​integrerede kredsløb. Hvis Jacobson kan gøre sine visioner om trykte kredsløb praktiske, kunne han ændre betydningen af ​​hardware og erstatte halvlederfabrikken til flere milliarder dollar med noget, der ikke er så forskelligt fra de frimærker, der har eksisteret i tusinder af år.

Mens resten af ​​computerindustrien forsøger at presse hardwarepriserne ned gennem masseproduktion af nogle få standardiserede chips, går Jacobson i den modsatte retning og forsøger at gøre hver person til mester-og producent af sin egen logik.

skjule