En første:Stanford -ingeniører bygger computer ved hjælp af carbon nanorørteknologi

Et team af Stanford -ingeniører har bygget en grundlæggende computer ved hjælp af carbon nanorør, et halvledermateriale, der har potentiale til at lancere en ny generation af elektroniske enheder, der kører hurtigere, mens du bruger mindre energi, end dem fremstillet af siliciumchips.

Denne hidtil usete bedrift kulminerer mange års bestræbelser fra forskere rundt om i verden for at udnytte dette lovende materiale.

Præstationen rapporteres i dag i en artikel på forsiden af Natur magasin skrevet af Max Shulaker og andre ph.d. -studerende i elektroteknik. Forskningen blev ledet af Stanford -professorer Subhasish Mitra og H.S. Philip Wong.

"Folk har talt om en ny æra med carbon nanorørelektronik, der bevæger sig ud over silicium, "sagde Mitra, en elektriker og datalog, og Chambers Faculty Scholar of Engineering. "Men der har været få demonstrationer af komplette digitale systemer ved hjælp af denne spændende teknologi. Her er beviset."

Eksperter siger, at Stanford -præstationen vil galvanisere bestræbelserne på at finde efterfølgere til siliciumchips, som snart kunne støde på fysiske grænser, der kunne forhindre dem i at levere mindre, hurtigere, billigere elektroniske enheder.

"Carbon nanorør (CNT'er) er længe blevet betragtet som en potentiel efterfølger til siliciumtransistoren, "sagde professor Jan Rabaey, en verdensekspert på elektroniske kredsløb og systemer ved UC Berkeley.

Men indtil nu har det ikke været klart, at CNT'er kunne opfylde disse forventninger.

"Der er ingen tvivl om, at dette vil få opmærksomhed fra forskere i halvlederfællesskabet og lokke dem til at undersøge, hvordan denne teknologi kan føre til mindre, mere energieffektive processorer i det næste årti, "Sagde Rabaey.

Mihail Roco, seniorrådgiver for nanoteknologi ved National Science Foundation, kaldte Stanford -værket "en vigtig, videnskabeligt gennembrud. "

Det var cirka 15 år siden, at kulstofnanorør først blev formet til transistorer, tænd-slukkontakterne i hjertet af digitale elektroniske systemer.

Men et stort udvalg af ufuldkommenheder i disse carbon nanorør har længe frustreret bestræbelser på at bygge komplekse kredsløb ved hjælp af CNT'er. Professor Giovanni De Micheli, direktør for Institut for Elektroteknik ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz, fremhævede to centrale bidrag, Stanford -teamet har ydet til denne verdensomspændende indsats.

"Først, de indførte en proces til fremstilling af CNT-baserede kredsløb, "De Micheli sagde." For det andet, de byggede et simpelt, men effektivt kredsløb, der viser, at beregning er mulig ved hjælp af CNT'er. "

Som Mitra sagde:"Det handler ikke kun om CNT -computeren. Det handler om en ændring i retninger, der viser, at man kan bygge noget rigtigt ved hjælp af nanoteknologier, der bevæger sig ud over silicium og dets fætre."

Hvorfor bekymre sig om en efterfølger til silicium? Sådanne bekymringer opstår fra de krav, som designere stiller til halvledere og deres grundlæggende arbejdshesteenhed, disse tænd / sluk-switches kendt som transistorer.

I årtier, fremskridt inden for elektronik har betydet at krympe størrelsen på hver transistor for at pakke flere transistorer på en chip. Men efterhånden som transistorer bliver mindre, spilder de mere strøm og genererer mere varme - alt i et mindre og mindre rum, som det fremgår af den varme, der kommer fra bunden af ​​en bærbar computer.

Mange forskere mener, at dette strømspildsfænomen kunne betyde enden på Moores lov, opkaldt efter Intel Corp. medstifter Gordon Moore, der forudsagde i 1965, at tætheden af ​​transistorer ville fordobles omtrent hvert andet år, fører til mindre, hurtigere og, som det viste sig, billigere elektronik.

Men mindre, hurtigere og billigere har også betydet mindre, hurtigere og varmere.

"Energispredning af siliciumbaserede systemer har været en stor bekymring, "sagde Anantha Chandrakasan, chef for elektroteknik og datalogi på MIT og en af ​​verdens førende inden for chipforskning. Han kaldte Stanford -værket "et vigtigt benchmark" for at flytte CNT'er mod praktisk brug. CNT er lange kæder af carbonatomer, der er ekstremt effektive til at lede og kontrollere elektricitet. De er så tynde - tusinder af CNT'er kunne passe side om side i et menneskehår - at det tager meget lidt energi at slukke dem, ifølge Wong, medforfatter af papiret og Williard R. og Inez Kerr Bell Professor ved Stanford.

"Tænk på det som at træde på en haveslange, "Wong sagde." Jo tyndere slangen er, jo lettere er det at lukke for strømmen. "I teorien, denne kombination af effektiv ledningsevne og laveffektomskiftning gør carbon nanorør til fremragende kandidater til at fungere som elektroniske transistorer.

"CNT'er kunne tage os i det mindste en størrelsesorden i ydeevne ud over, hvor du kan projektere silicium kunne tage os, "Sagde Wong. Men iboende ufuldkommenheder har stået i vejen for at anvende dette lovende materiale praktisk.

Først, CNT vokser ikke nødvendigvis i pæne parallelle linjer, som chipmakere gerne vil.

Over tid, forskere har udtænkt tricks til at dyrke 99,5 procent af CNT i lige linjer. Men med milliarder af nanorør på en chip, selv en lille grad af forkert justerede rør kan forårsage fejl, så det problem blev ved.

En anden type ufuldkommenhed har også dæmpet CNT -teknologi.

Afhængigt af hvordan CNT vokser, en brøkdel af disse carbon nanorør kan ende med at opføre sig som metaltråde, der altid leder elektricitet, i stedet for at virke som halvledere, der kan slukkes.

Da masseproduktion er det endelige mål, forskere måtte finde måder at håndtere forkert justerede og/eller metalliske CNT'er på uden at skulle jagte dem som nåle i en høstak.

"Vi havde brug for en måde at designe kredsløb på uden at skulle lede efter ufuldkommenheder eller endda vide, hvor de var, "Sagde Mitra. Stanford-papiret beskriver en todelt tilgang, som forfatterne kalder et" ufuldkommenhedsimmun design. "

For at fjerne de trådlignende eller metalliske nanorør, Stanford -teamet slukkede alle de gode CNT'er. Derefter pumpede de halvlederkredsløbet fuld af elektricitet. Al den elektricitet er koncentreret i de metalliske nanorør, som blev så varme, at de brændte op og bogstaveligt talt fordampede til små pust af kuldioxid. Denne sofistikerede teknik var i stand til at fjerne stort set alle de metalliske CNT'er i kredsløbet på én gang.

Omgåelse af de forkert justerede nanorør krævede endnu større subtilitet.

Så Stanford -forskerne skabte en kraftfuld algoritme, der kortlægger et kredsløbslayout, der garanteret fungerer, uanset om eller hvor CNT'er kan være skæve.

"Dette 'imperfections-immune design' (teknik) gør denne opdagelse virkelig eksemplarisk, "sagde Sankar Basu, en programdirektør ved National Science Foundation.

Stanford-teamet brugte dette ufuldkommenhedsimmun design til at samle en grundlæggende computer med 178 transistorer, en grænse pålagt af, at de brugte universitetets chipfremstillingsfaciliteter frem for en industriel fremstillingsproces.

Deres CNT -computer udførte opgaver som tælling og nummersortering. Det kører et grundlæggende operativsystem, der gør det muligt at skifte mellem disse processer. I en demonstration af dets potentiale, forskerne viste også, at CNT -computeren kunne køre MIPS, et kommercielt instruktionssæt udviklet i begyndelsen af ​​1980'erne af dengang Stanford ingeniørprofessor og nu universitetspræsident John Hennessy.

Selvom det kan tage år at modne, Stanford-tilgangen peger mod muligheden for industriel produktion af carbon nanorør halvledere, ifølge Naresh Shanbhag, professor ved University of Illinois i Urbana-Champaign og direktør for SONIC, et konsortium af næste generations chipdesignforskning.

"Wong/Mitra -papiret demonstrerer løftet fra CNT'er om at designe komplekse computersystemer, "Sagde Shanbhag, tilføjer, at dette "vil motivere forskere andre steder" mod større indsats inden for chipdesign ud over silicium.

"Dette er de første nødvendige trin til at tage kulnanorør fra kemilaboratoriet til et rigtigt miljø, "sagde Supratik Guha, direktør for fysiske videnskaber for IBM's Thomas J. Watson Research Center og en af ​​verdens førende inden for CNT -forskning.