Ingeniører finder en enkel, men smart måde at øge chiphastighederne på

En typisk computerchip indeholder millioner af transistorer forbundet med et omfattende netværk af kobberledninger. Selvom chiptråde er ufatteligt korte og tynde sammenlignet med husholdningsledninger, har begge én ting til fælles:i hvert tilfælde er kobberet pakket ind i en beskyttende kappe.

I årevis har et materiale kaldet tantalnitrid dannet et beskyttende lag i spånetråde.

Nu viser Stanford-ledede eksperimenter, at et andet beklædningsmateriale, grafen, kan hjælpe elektroner hurtigere gennem små kobbertråde i chips.

Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et stærkt, men tyndt gitter. Stanfords elektroingeniør H.-S. Philip Wong siger, at denne beskedne rettelse, bruge grafen til at omvikle ledninger, kunne give transistorer mulighed for at udveksle data hurtigere, end det er muligt i øjeblikket. Og fordelene ved at bruge grafen ville blive større i fremtiden, efterhånden som transistorer fortsætter med at skrumpe.

"Forskere har gjort enorme fremskridt med alle de andre komponenter i chips, men for nylig, der er ikke sket meget fremskridt med at forbedre ydeevnen af ​​ledningerne, " han sagde.

Wong ledede et hold på seks forskere, inklusive to fra University of Wisconsin-Madison, som vil præsentere deres resultater på Symposia of VLSI Technology and Circuits i Kyoto, et førende mødested for elektronikindustrien.

Ling Li, en kandidatstuderende i elektroteknik ved Stanford og førsteforfatter til forskningspapiret, forklaret, hvorfor udskiftning af den udvendige indpakning på forbindelsesledninger kan have så stor indflydelse på chip-ydelsen.

Det begynder med at forstå den dobbelte rolle af dette beskyttende lag:det isolerer kobberet fra siliciumet på chippen og tjener også til at lede elektricitet.

På siliciumchips, transistorerne fungerer som små porte til at tænde eller slukke for elektroner. Denne omskiftningsfunktion er, hvordan transistorer behandler data.

Kobbertrådene mellem transistorerne transporterer disse data, når de er behandlet.

Det isolerende materiale - i øjeblikket tantalnitrid - forhindrer kobberet i at migrere ind i siliciumtransistorerne og gøre dem ikke-funktionelle.

Hvorfor skifte til grafen?

To grunde, begyndende med det uophørlige ønske om at blive ved med at gøre elektroniske komponenter mindre.

Da Stanford-teamet brugte det tyndest mulige lag af tantalnitrid, der var nødvendigt for at udføre denne isolerende funktion, de fandt ud af, at industristandarden var otte gange tykkere end grafenlaget, der gjorde det samme arbejde.

Grafen havde en anden fordel som en beskyttende beklædning, og her er det vigtigt at skelne mellem, hvordan dette ydre lag fungerer i chiptråde kontra husholdningsledninger.

I husledninger isolerer det ydre lag kobberet for at forhindre elektrisk stød eller brand.

I en chip er laget omkring ledningerne en barriere for at forhindre kobberatomer i at infiltrere silicium. Hvis det skulle ske, ville transistorerne holde op med at fungere. Så det beskyttende lag isolerer kobberet fra silicium

Stanford-eksperimentet viste, at grafen kunne udføre denne isolerende rolle, mens den også fungerede som en hjælpeleder af elektroner. Dens gitterstruktur gør det muligt for elektroner at springe fra carbonatom til carbonatom lige ned ad ledningen, mens de effektivt indeholder kobberatomerne i kobbertråden.

Disse fordele - tyndheden af ​​grafenlaget og dets dobbelte rolle som isolator og hjælpeleder - gør det muligt for denne nye ledningsteknologi at transportere flere data mellem transistorer, fremskynde den samlede chip-ydeevne i processen.

I dagens chips er fordelene beskedne; en grafenisolator ville øge ledningshastigheden fra fire procent til 17 procent, afhængig af ledningens længde.

Men efterhånden som transistorer og ledninger fortsætter med at krympe i størrelse, fordelene ved den ultratynde, men alligevel ledende grafenisolator bliver større. Stanford-ingeniørerne vurderer, at deres teknologi kan øge ledningshastighederne med 30 procent i de næste to generationer

Stanford-forskerne tror, ​​at løftet om hurtigere databehandling vil få andre forskere til at interessere sig for ledninger, og hjælpe med at overvinde nogle af de forhindringer, der er nødvendige for at tage dette principbevis i almindelig praksis.

Dette vil omfatte teknikker til at dyrke grafen, især at dyrke det direkte på ledninger, mens chips bliver masseproduceret. Ud over sin samarbejdspartner ved University of Wisconsin, professor Michael Arnold, Wong citerede Purdue University Professor Zhihong Chen. Wong bemærkede, at ideen om at bruge grafen som en isolator var inspireret af Cornell University Professor Paul McEuen og hans banebrydende forskning i de grundlæggende egenskaber af dette vidunderlige materiale. Alexander Balandin fra University of California-Riverside har også bidraget til at bruge grafen i chips.

"Graphene er blevet lovet at gavne elektronikindustrien i lang tid, og at bruge det som en kobberbarriere er måske den første erkendelse af dette løfte, " sagde Wong.