Gennembrud baner vejen for fremtiden efter silicium med kulstof-nanorørelektronik

IBM Research annoncerede i dag et stort ingeniørmæssigt gennembrud, der kunne accelerere kulstofnanorør, der erstatter siliciumtransistorer for at drive fremtidige computerteknologier.

IBM-forskere demonstrerede en ny måde at formindske transistorkontakter uden at reducere ydeevnen af ​​kulstof-nanorør-enheder, åbne en vej til dramatisk hurtigere, mindre og mere kraftfulde computerchips ud over traditionelle halvlederes muligheder. Resultaterne vil blive rapporteret i 2. oktober-udgaven af Videnskab .

IBM's gennembrud overvinder en stor hindring, som silicium og enhver halvledertransistorteknologi står over for, når de skaleres ned. I enhver transistor, to ting skalerer:kanalen og dens to kontakter. Efterhånden som enheder bliver mindre, øget kontaktmodstand for kulstofnanorør har hindret præstationsgevinster indtil nu. Disse resultater kunne overvinde udfordringer med kontaktmodstand hele vejen til 1,8 nanometer-knuden - fire teknologigenerationer væk.

Carbon nanorør-chips kunne i høj grad forbedre mulighederne for højtydende computere, gør det muligt at analysere Big Data hurtigere, øge strømmen og batterilevetiden for mobile enheder og tingenes internet, og giver cloud-datacentre mulighed for at levere tjenester mere effektivt og økonomisk.

Silicium transistorer, små kontakter, der bærer information på en chip, er blevet mindre år efter år, men de nærmer sig et punkt med fysisk begrænsning. Da Moores lov løber tør for damp, at formindske størrelsen af ​​transistoren – inklusive kanalerne og kontakterne – uden at gå på kompromis med ydeevnen har været en irriterende udfordring, der har bekymret forskere i årtier.

IBM har tidligere vist, at kulstof-nanorørtransistorer kan fungere som fremragende switche ved kanaldimensioner på mindre end ti nanometer – svarende til 10, 000 gange tyndere end et hårstrå og mindre end halvdelen af ​​størrelsen af ​​nutidens førende siliciumteknologi. IBMs nye kontakttilgang overvinder den anden store forhindring i at inkorporere kulstofnanorør i halvlederenheder, hvilket kan resultere i mindre chips med større ydeevne og lavere strømforbrug.

Tidligere på sommeren IBM afslørede den første 7 nanometer node silicium testchip, skubbe grænserne for siliciumteknologier og sikre yderligere innovationer for IBM Systems og IT-industrien. Ved at fremme forskning i kulstof nanorør til at erstatte traditionelle siliciumenheder, IBM baner vejen for en fremtid efter silicium og leverer på sin R&D-investering på 3 milliarder USD, der blev annonceret i juli 2014.

"Disse chipinnovationer er nødvendige for at imødekomme de nye krav til cloud computing, Internet of Things og Big Data-systemer, " sagde Dario Gil, vicepræsident for Science &Technology hos IBM Research. "Når siliciumteknologien nærmer sig sine fysiske grænser, nye materialer, enheder og kredsløbsarkitekturer skal være klar til at levere de avancerede teknologier, der vil kræves af den kognitive computing-æra. Dette gennembrud viser, at computerchips lavet af kulstof nanorør vil være i stand til at drive fremtidens systemer hurtigere end industrien forventede."

En ny kontakt til kulstof nanorør

Carbon nanorør repræsenterer en ny klasse af halvledermaterialer, der består af enkelte atomare plader af carbon rullet op til et rør. Kulstofnanorørene udgør kernen i en transistorenhed, hvis overlegne elektriske egenskaber lover flere generationer af teknologi, der skalere ud over siliciums fysiske grænser.

Elektroner i kulstoftransistorer kan bevæge sig lettere end i siliciumbaserede enheder, og den ultratynde krop af kulstofnanorør giver yderligere fordele på atomskalaen. Inde i en chip, kontakter er de ventiler, der styrer strømmen af ​​elektroner fra metal ind i kanalerne i en halvleder. Når transistorer krymper i størrelse, elektrisk modstand stiger i kontakterne, hvilket hæmmer ydeevnen. Indtil nu, at reducere størrelsen af ​​kontakterne på en enhed forårsagede et tilsvarende fald i ydeevnen - en udfordring, som både silicium- og kulstof-nanorørstransistorteknologier står over for.

IBM-forskere måtte give afkald på traditionelle kontaktskemaer og opfandt en metallurgisk proces, der ligner mikroskopisk svejsning, der kemisk binder metalatomerne til kulstofatomerne i enderne af nanorør. Dette 'endebundne kontaktskema' gør det muligt for kontakterne at blive krympet ned til under 10 nanometer uden at forringe ydeevnen af ​​kulstofnanorørenhederne.

"For enhver avanceret transistorteknologi, stigningen i kontaktmodstand på grund af faldet i størrelsen af ​​transistorer bliver en stor ydeevne flaskehals, " tilføjede Gil. "Vores nye tilgang er at skabe kontakt fra enden af ​​kulstofnanorøret, som vi viser ikke forringer enhedens ydeevne. Dette bringer os et skridt tættere på målet om en kulstof-nanorørteknologi inden for tiåret."