211service.com
De eerste computer met koolstofnanobuisjes
Voor het eerst hebben onderzoekers een computer gebouwd waarvan de centrale processor volledig is gebaseerd op koolstofnanobuisjes, een vorm van koolstof met opmerkelijke materiaal- en elektronische eigenschappen. De computer is traag en eenvoudig, maar de makers, een groep ingenieurs van Stanford University, zeggen dat het aantoont dat koolstofnanobuiselektronica een levensvatbare potentiële vervanging is voor silicium wanneer het zijn limieten bereikt in steeds kleinere elektronische circuits.
Buischip: Dit scanning-elektronenmicroscopiebeeld toont een deel van de allereerste koolstofnanobuiscomputer. De afbeelding werd gekleurd om verschillende delen van de chip te identificeren.
De koolstofnanobuisjesprocessor is qua mogelijkheden vergelijkbaar met de Intel 4004 , de eerste microprocessor van dat bedrijf, die in 1971 werd uitgebracht, zegt: Subhasish Mitra , een elektrotechnisch ingenieur bij Stanford en een van de co-leiders van het project. De computer, vandaag beschreven in het tijdschrift Natuur , voert een eenvoudige software-instructieset uit met de naam MIPS. Het kan schakelen tussen meerdere taken (nummers tellen en sorteren) en deze bijhouden, en het kan gegevens ophalen van en terugsturen naar een extern geheugen.
De nanobuis-processor bestaat uit 178 transistors, die elk koolstof nanobuisjes bevatten van ongeveer 10 tot 200 nanometer lang. De Stanford-groep zegt dat het zes versies van computers met koolstofnanobuisjes heeft gemaakt, waaronder een die kan worden aangesloten op externe hardware - een numeriek toetsenbord dat kan worden gebruikt om getallen in te voeren die moeten worden opgeteld.
Aaron Franklin , een onderzoeker bij het IBM Watson Research Center in Yorktown Heights, New York, zegt dat de vergelijking met de 4004 en andere vroege siliciumprocessors treffend is. Dit is een geweldige demonstratie voor mensen in de elektronicagemeenschap die twijfelden aan koolstofnanobuisjes, zegt hij.
De groep van Franklin heeft aangetoond dat individuele koolstofnanobuistransistors - kleiner dan 10 nanometer - sneller en energiezuiniger zijn dan die gemaakt van enig ander materiaal, inclusief silicium. Theoretisch werk heeft ook gesuggereerd dat een computer met koolstofnanobuisjes een orde van grootte energiezuiniger zou zijn dan de beste siliciumcomputers. En het vermogen van het nanomateriaal om warmte af te voeren suggereert dat computers met koolstofnanobuisjes razendsnel kunnen werken zonder op te warmen - een probleem dat snelheidslimieten stelt aan de siliciumprocessors in de hedendaagse computers.
Toch betwijfelen sommige mensen of koolstofnanobuisjes silicium zullen vervangen. Werken met koolstofnanobuisjes is een grote uitdaging. Ze worden meestal zo gekweekt dat ze in een verwarde puinhoop blijven, en ongeveer een derde van de buizen is van metaal in plaats van halfgeleidend, wat kortsluiting veroorzaakt.
In de afgelopen jaren heeft Mitra samengewerkt met de elektrotechnisch ingenieur van Stanford Philip Wonga , die manieren heeft ontwikkeld om enkele van de materiaaluitdagingen te omzeilen die de creatie van complexe circuits van koolstofnanobuisjes hebben verhinderd. Wong ontwikkelde een methode om meestal zeer rechte nanobuisjes op kwarts te laten groeien en ze vervolgens over te brengen naar een siliciumsubstraat om de transistors te maken. De Stanford-groep bedekt ook de actieve delen van de transistors met een beschermende coating en etst vervolgens alle blootgestelde nanobuisjes weg die op een dwaalspoor zijn geraakt.
Wong en Mitra passen ook een spanning toe om alle halfgeleidende nanobuisjes op een chip uit te schakelen. Vervolgens pulseren ze een grote stroom door de chip; de metalen worden verhit, oxideren en vallen uiteen. Al deze nanobuis-specifieke reparaties - en de rest van het productieproces - kunnen worden uitgevoerd met de standaardapparatuur die wordt gebruikt om de huidige siliciumchips te maken. In die zin is het proces schaalbaar.
Eind vorige maand om Warme Chips , een technische ontwerpconferentie die toevallig op Stanford werd gehouden, maakte de directeur van het Microsystems Technology Office bij DARPA opschudding door het einde van siliciumelektronica te bespreken. In een grondtoon, Robert Colwell , voormalig hoofdarchitect bij Intel, voorspelde dat de computerindustrie al in 2020 niet langer in staat zal zijn om prestatie- en kostenverbeteringen door te voeren door de dichtheid van siliciumtransistors op chips elke 18 tot 24 maanden te verdubbelen - een prestatie die de wet van Moore wordt genoemd naar de medeoprichter van Intel, Gordon Moore, die de trend voor het eerst opmerkte.
Mitra en Wong hopen dat hun computer laat zien dat koolstofnanobuisjes een serieus antwoord kunnen zijn op de vraag wat er daarna komt. Tot nu toe komen geen opkomende technologieën in de buurt van silicium. Van alle opkomende materialen en nieuwe ideeën die als mogelijke redders werden voorgehouden - nanodraden, spintronica, grafeen, biologische computers - heeft niemand een centrale verwerkingseenheid gemaakt op basis van een van hen, zegt Mitra. In die context is het spannend om de prestaties van silicium rond 1970 in te halen, hoewel er nog veel werk aan de winkel is.
Victor Zhirnov , specialist in nano-elektronica aan de Semiconductor Research Corporation in Durham, North Carolina, is veel voorzichtiger optimistisch. De nanobuis-processor heeft 10 miljoen keer minder transistors dan de huidige typische microprocessors, werkt veel langzamer en werkt op vijf keer de spanning, wat betekent dat hij ongeveer 25 keer zoveel stroom verbruikt, merkt hij op.
Een deel van de traagheid van de nanobuiscomputer is te wijten aan de omstandigheden waaronder deze werd gebouwd - in een academisch laboratorium met behulp van waar de Stanford-groep toegang toe had, niet een fabrieksstandaard. De processor is verbonden met een externe harde schijf, die als geheugen dient, via een grote bundel elektrische draden, die elk zijn verbonden met een grote metalen pin bovenop de nanobuis-processor. Elk van de pinnen is op zijn beurt verbonden met een apparaat op de chip. Door deze rommelige verpakking moeten de gegevens langere afstanden afleggen, wat ten koste gaat van de efficiëntie van de computer.
Met de tools die voorhanden zijn, kan de Stanford-groep ook geen transistors kleiner maken dan ongeveer een micrometer - vergeleken met Intel's aankondiging eerder deze maand dat zijn volgende productlijn zal worden gebouwd op 14-nanometertechnologie. Als de groep echter een ultramoderne fabriek zou worden, zouden de productieopbrengsten voldoende verbeteren om computers met duizenden kleinere transistors te kunnen maken, en zou de computer sneller kunnen werken.
Om het uitstekende prestatieniveau te bereiken dat in theorie wordt geboden door nanobuisjes, zullen onderzoekers moeten leren hoe ze complexe geïntegreerde schakelingen kunnen bouwen die bestaan uit ongerepte enkele nanobuis-transistors. Franklin zegt dat apparaat- en materiaalexperts zoals zijn groep bij IBM nauwer moeten gaan samenwerken met circuitontwerpers zoals die van Stanford om echte vooruitgang te boeken.
We zijn ons er terdege van bewust dat silicium bijna opraakt en dat het binnen 10 jaar op zijn einde loopt, zegt Zhirnov. Als koolstofnanobuisjes praktisch gaan worden, moet het snel gebeuren.