Beyond the Moores Law:Nanocomputing ved hjælp af nanotrådfliser

Et tværfagligt team af videnskabsmænd og ingeniører fra The MITER Corporation og Harvard University har taget vigtige skridt mod ultra-små elektroniske computersystemer, der skubber ud over den nært forestående afslutning på Moores lov, som siger, at enhedstætheden og den samlede processorkraft for computere vil fordobles hvert andet til tredje år. I en avis, der udkommer i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , holdet beskriver, hvordan de designede og samlede, fra bunden og op, en fungerende, ultralille kontrolcomputer, der er det tætteste nanoelektroniske system, der nogensinde er bygget.

Den ultra-lille, ultra-low-power kontrolprocessor - kaldet en nanoelektronisk finite-state maskine eller "nanoFSM" - er mindre end en menneskelig nervecelle. Den er sammensat af hundredvis af nanotrådstransistorer, som hver især er en switch omkring ti tusinde gange tyndere end et menneskehår. Nanotrådstransistorerne bruger meget lidt strøm, fordi de er "ikke-flygtige". Det er, kontakterne husker, om de er tændt eller slukket, selv når der ikke er strøm til dem.

I nanoFSM, disse nanoswitches er samlet og organiseret i kredsløb på flere "fliser". Sammen, fliserne dirigerer små elektroniske signaler rundt i computeren, gør det muligt at udføre beregninger og behandle signaler, der kan bruges til at styre små systemer, såsom minimale medicinske terapeutiske anordninger, andre små sensorer og aktuatorer, eller endda robotter på størrelse med insekter.

I 2011 MITRE-Harvard-holdet demonstrerede en enkelt sådan lille flise, der er i stand til at udføre simple logiske operationer. I deres seneste samarbejde kombinerede de adskillige fliser på en enkelt chip for at producere et første af sin slags kompleks, programmerbar nanocomputer.

"Det var en udfordring at udvikle en systemarkitektur og nanokredsløbsdesign, der ville pakke de kontrolfunktioner, vi ønskede, i et så meget lille system, " ifølge Shamik Das, chefarkitekt for nanocomputeren, som også er ledende ingeniør og gruppeleder for MITREs Nanosystems Group. "Da vi først havde disse designs, selvom, vores Harvard-samarbejdspartnere gjorde et strålende stykke arbejde med at innovere for at kunne realisere dem."

Konstruktionen af ​​denne nanocomputer blev muliggjort af betydelige fremskridt i processer, der samler med ekstrem præcision tætte arrays af de mange nanoenheder, der kræves. Disse fremskridt gjorde det også muligt at fremstille flere kopier af nanoFSM, bruge en banebrydende tilgang, hvor for første gang, komplekse nanosystemer kan samles økonomisk nedefra og op i tæt overensstemmelse med et allerede eksisterende design. Indtil nu, dette kunne gøres ved at bruge industriens dyre, top-down litografiske fremstillingsmetoder, men ikke med bottom-up montage.

Af denne grund, nanoFSM og midlerne, hvormed det blev fremstillet, repræsenterer et skridt i retning af at udvide den meget økonomisk vigtige fem-årtier lange trend inden for miniaturisering ifølge Moores lov, som har drevet elektronikindustrien. På grund af begrænsninger på dets konventionelle litografiske fremstillingsmetoder og på konventionelle transistorer, mange brancheeksperter har antydet, at Moore's Law-trenden snart kan komme til en ende. Nogle hævder, at dette kan ske om så lidt som fem år og have negative økonomiske konsekvenser, medmindre der er innovationer inden for både enheds- og fremstillingsteknologier, som dem, der er demonstreret af nanoFSM.

James Ellenbogen, chefforsker for nanoteknologi ved MITER og ekspert i udvikling af computere integreret på nanometerskalaen, sagde, "NanoFSM og de nye metoder, der blev opfundet til at bygge den, er ikke hele svaret for industrien. Men, Jeg tror, ​​at de inkorporerer vigtige skridt fremad på to af de nøgleområder, elektronikindustrien har været fokuseret på for at udvide Moores lov."

Udover Das og Ellenbogen, udviklingsteamet hos MITER inkluderede James Klemic, selskabets direktør for nanoteknologilaboratorium. Forskerne fra MITRE - en pioner inden for nanoteknologi siden 1992 - samarbejdede med et tre-personers team på Harvard, ledet af Charles Lieber, en verdensførende efterforsker inden for nanoteknologi.