211service.com
De eerste plastic computerprocessor
Silicium mag dan de basis vormen voor de computers die ons omringen, maar de starre inflexibiliteit van de halfgeleider betekent dat het niet overal kan komen. De eerste computerprocessor en geheugenchips gemaakt van plastic halfgeleiders suggereren dat op een dag nergens meer computerkracht te krijgen zal zijn.
Kunststof kracht: Deze microprocessor is gemaakt van organische materialen. Het is nietig in vergelijking met de meeste siliciumprocessors, maar is flexibel en goedkoop.
Onderzoekers in Europa gebruikten 4.000 plastic of organische transistors om de plastic microprocessor te maken, die ongeveer twee vierkante centimeter groot is en bovenop flexibele plastic folie is gebouwd. Vergeleken met het gebruik van silicium heeft dit het voordeel van een lagere prijs en dat het flexibel kan zijn, zegt Jan Genoe van de IMEC nanotechnologiecentrum te Leuven, België. Genoe- en IMEC-collega's werkten samen met onderzoekers van de TNO onderzoeksorganisatie en display bedrijf Polymeer Visie , beide in Nederland.
De processor kan tot nu toe slechts één eenvoudig programma van 16 instructies uitvoeren. De commando's zijn hardcoded in een tweede folie geëtst met plastic circuits die kunnen worden aangesloten op de processor om het programma te laden. Hierdoor kan de processor een lopend gemiddelde van een binnenkomend signaal berekenen, iets wat een chip die het signaal van een sensor verwerkt, zou kunnen doen, zegt Genoe. De chip werkt met een snelheid van zes hertz - in de orde van een miljoen keer langzamer dan een moderne desktopmachine - en kan informatie slechts in 8-bits brokken verwerken, vergeleken met 128 bits voor moderne computerprocessors.
Organische transistoren zijn al gebruikt in bepaalde LED-displays en RFID-tags, maar zijn niet gebruikt om een processor van welke aard dan ook te maken. De microprocessor werd gepresenteerd op de ISSCC-conferentie in San Jose, Californië, vorige maand.
Het maken van de processor begint met een vel flexibel plastic van 25 micrometer dik, zoals waarmee je je lunch zou kunnen inpakken, zegt Genoe. Een laag gouden elektroden wordt bovenop afgezet, gevolgd door een isolerende laag van plastic, een andere laag van gouden elektroden en de plastic halfgeleiders die de 4.000 transistors van de processor vormen. Die transistors werden gemaakt door de plastic folie te draaien om een druppel organische vloeistof in een dunne, gelijkmatige laag te verspreiden. Wanneer de folie voorzichtig wordt verwarmd, wordt de vloeistof omgezet in vast pentaceen, een veelgebruikte organische halfgeleider. De verschillende lagen werden vervolgens geëtst met behulp van fotolithografie om het uiteindelijke patroon voor transistors te maken.
In de toekomst zouden dergelijke processors goedkoper kunnen worden gemaakt door de organische componenten zoals inkt te printen, zegt Genoe. Er zijn onderzoeksgroepen die werken aan roll-to-roll of sheet-to-sheet printen, zegt hij, maar er is nog enige vooruitgang nodig om organische transistors te maken in kleine formaten die niet wiebelen, wat fysiek onregelmatig betekent. De beste printmethodes op laboratoriumschaal tot nu toe kunnen alleen betrouwbare transistors in de tientallen micrometers opleveren, zegt hij.
Het creëren van een processor gemaakt van plastic transistors was een uitdaging, want in tegenstelling tot die gemaakt van geordende siliciumkristallen, kan niet iedereen worden vertrouwd om zich als een ander te gedragen. Plastic transistors gedragen zich elk iets anders omdat ze zijn opgebouwd uit door elkaar gegooide, amorfe verzamelingen van pentaceenkristallen. Je zult er geen twee hebben die gelijk zijn, zegt Geneo. Die variabiliteit moesten we bestuderen en simuleren om een ontwerp uit te werken met de grootste kans op correct gedrag.
Het team is daarin geslaagd, maar dat betekent niet dat plastic processors de plaats van siliconen in consumentencomputers hebben ingeslagen. Organische materialen beperken de werkingssnelheid fundamenteel, legt Genoe uit. Hij verwacht dat plasticverwerkers zullen verschijnen op plaatsen waar silicium wordt geblokkeerd door zijn kosten of fysieke inflexibiliteit. De lagere kosten van de gebruikte organische materialen in vergelijking met conventioneel silicium zouden de plastic benadering ongeveer 10 keer goedkoper moeten maken.
Je kunt je een organische gassensor voorstellen die om een gasleiding is gewikkeld om eventuele lekken te rapporteren met een flexibele microprocessor om het ruisende signaal op te ruimen, zegt hij. Met plastic elektronica zouden ook wegwerpbare interactieve displays kunnen worden ingebouwd in verpakkingen, bijvoorbeeld voor voedsel, zegt Genoe. Je zou op een knop kunnen drukken om de calorieën in de koekjes die je hebt gegeten te laten optellen, zegt hij.
Maar voor dergelijke toepassingen is meer nodig dan alleen plastic processors, zegt Wei Zhang, die aan de Universiteit van Minnesota aan organische elektronica werkt. Op dezelfde conferentie waar de organische processor werd onthuld, presenteerden Zhang en collega's het eerste gedrukte organische geheugen van een type dat bekend staat als DRAM, dat naast de processor in de meeste computers werkt voor gegevensopslag op korte termijn. De 24-millimeter vierkante geheugenarray is gemaakt door verschillende lagen organische inkt op te bouwen die als een spuitbus uit een spuitmondje worden gespoten. Het kan 64 bits aan informatie opslaan.
Eerder afgedrukt geheugen was niet-vluchtig, wat betekent dat het gegevens vasthoudt, zelfs als de stroom is uitgeschakeld, en niet geschikt is voor kortetermijnopslag waarbij regelmatig wordt geschreven, gelezen en herschreven, zegt Zhang. De Minnesota-groep kon DRAM afdrukken omdat het een vorm van bedrukte, organische transistor bedacht die een ionenrijke gel gebruikt voor het isolatiemateriaal dat de elektroden scheidt.
De ionen aan de binnenkant zorgen ervoor dat de gellaag meer lading kan opslaan dan een conventionele, ionenvrije isolator. Dat lost twee problemen op die een beperkte organische geheugenontwikkeling hebben. Het vermogen van de gel om lading op te slaan vermindert het vermogen dat nodig is om de transistor en het daaruit opgebouwde geheugen te laten werken; het maakt het ook mogelijk dat de ladingsniveaus die worden gebruikt om 1 en 0 in het geheugen weer te geven, zeer verschillend zijn en een minuut aanhouden zonder dat het geheugen hoeft te worden vernieuwd.
Organische, geprinte DRAM zou kunnen worden gebruikt voor kortetermijnopslag van beeldframes in displays die tegenwoordig zijn gemaakt met gedrukte organische LED's, zegt Zhang. Dat zou het mogelijk maken om meer apparaten te maken met behulp van printmethoden en een aantal siliconencomponenten te elimineren, wat de kosten verlaagt.
Het vinden van een manier om organische microprocessors en geheugen te combineren, zou de prijzen verder kunnen verlagen, hoewel Zhang zegt dat de twee nog niet klaar zijn om verbinding te maken. Deze inspanningen zijn nieuwe technieken, dus we kunnen niet garanderen dat ze zullen worden gebouwd en samenwerken, zegt Zhang. Maar in de toekomst zou het logisch zijn.