211service.com
Druk uw volgende pc af
Zoals Joseph Jacobson graag opmerkt, is een typisch geïntegreerd circuit - het brein achter je computer - ondanks alle winst in de prestaties van halfgeleiderchips in de afgelopen decennia nog steeds veel te duur voor de meeste mensen op aarde. Kijk naar de manier waarop [een chip] wordt gemaakt, zegt hij, terwijl hij met één hand in de lucht slaat terwijl hij met de andere een PowerPoint-presentatie leidt. Het fabriceren van een hoogwaardige logische chip zoals Intel's Pentium-processor, legt hij uit, duurt twee weken, zeven dagen per week, 24 uur per dag. Chipfabricagefaciliteiten zoals die van Intel zijn een hulpmiddel van $ 1,6 miljard. En er zijn maar heel weinig mensen op de wereld die dat gereedschap kunnen aanraken.
De oplossing van Jacobson: een desktopfab die circuits rechtstreeks op een substraat, zoals plastic, kan printen zonder de kosten en het gedoe van een productiefaciliteit van miljarden dollars. Jacobson, hoofd van de Printed PC Group bij MIT's Media Lab, is er al in geslaagd om rudimentaire maar werkende transistors te printen met een inkt die bestaat uit halfgeleiderdeeltjes ter grootte van nanometers. Ons doel is om het traject dat silicium aflegde te volgen en processors te gaan printen met misschien enkele honderden transistors, naar duizenden en dan meer, zegt Jacobson. We zouden in de komende 12 tot 18 maanden een zeer eenvoudige processor moeten kunnen demonstreren. En hij voorspelt dat geprinte logische chips met de snelheid en kracht van een Pentium uiteindelijk mogelijk zouden kunnen zijn, waardoor microchips beschikbaar zouden zijn voor een fractie van de tijd en kosten die gepaard gaan met conventionele productie.
Als Jacobsons visie werkelijkheid wordt, kan dit alles in computerhardware veranderen. Gedrukte elektronica zou goedkoop genoeg kunnen zijn om overal hun weg in te vinden, van behang dat verwisselbare afbeeldingen kan weergeven tot op maat ontworpen logische schakelingen. Een chip-fab op elke desktop zou kunnen leiden tot de dag waarop individuen de architectuur van geïntegreerde schakelingen downloaden zoals ze tegenwoordig software downloaden. Het zou, kortom, de hardwareproductie kunnen transformeren zoals de open-sourcebeweging de manier waarop software wordt geschreven heeft veranderd. Op zijn meest visionaire manier stelt Jacobson dat gedrukte logica aanleiding zou kunnen geven tot een open-source hardwarebeweging waarbij chips op maat worden ontworpen via internet en door de consument worden afgedrukt in ongeveer dezelfde tijd als het afdrukken van een webpagina. Je zou, zegt Jacobson, het chipontwerp van het web kunnen downloaden, wat modificaties van een of andere man in India kunnen doorvoeren, en de boom-out komt het apparaat.
Het is lunchtijd in Jacobsons lab, een kamer zonder ramen met een warboel van gekleurde kabels die aan de muren en het plafond bungelen en een rij chemische kappen langs een muur. Jacobsons enthousiasme is aanstekelijk en het is duidelijk dat het krappe laboratorium de plek is waar hij en zijn handjevol studenten het grootste deel van hun tijd doorbrengen, zelfs als ze aan het eten zijn. Waar we in geïnteresseerd zijn, is mij een stuk plastic geven en binnen een paar seconden geef ik je een Pentium terug', of iets van die complexiteit, zegt hij tussen de happen door. Daar ben ik serieus over. Niet langzamer dan een Pentium; niet te onderscheiden van een Pentium.
Afkomstig van bijna iemand anders, zou zo'n claim moeilijk te slikken zijn. Maar de 35-jarige universitair hoofddocent heeft de kwalificaties om de goederen af te leveren. Immers, toen Jacobson in 1996 bij het Media Lab kwam, klonk zijn onmiddellijke ambitie bijna net zo bizar. Ik wilde een display [scherm] hebben dat kan worden afgedrukt, herinnert Jacobson zich. Ik wilde iets dat ongelooflijk goedkoop was, iets dat eruit zou zien als inkt op papier. Iets, met andere woorden, zoals elektronisch papier.
Zijn oplossing was een riff op onderzoek uitgevoerd in het Xerox Palo Alto Research Center (PARC) in de jaren zeventig, waar onderzoekers microscopisch kleine balletjes hadden gemaakt die aan de bovenkant zwart en aan de onderkant wit waren. Een elektrische lading bepaalde welke kant van de ballen naar boven draaide. Met wat slimme bedrading konden de ballen worden gemaakt om letters en woorden te vormen. Jacobson en een handvol MIT-studenten duwden het idee in nieuwe richtingen. In plaats van bolletjes van twee kleuren te maken, fabriceerden ze miljoenen kleine microcapsules, elk met een vloeibaar mengsel van olie, donkere kleurstof en kleine stukjes wit pigment. Vervolgens legden ze het materiaal in lagen op flexibel plastic en plaatsten het tussen transparante elektroden aan de boven- en onderkant. Afhankelijk van de aangebrachte lading, migreren de witte scherven naar de boven- of onderkant van de bol, en wanneer ze samen worden geactiveerd, kunnen de elektroden de inkt in herkenbare patronen dwingen.
De rest is het spul van venture-startup legendes. E Ink werd opgericht in 1997 met verschillende studenten van Jacobson aan het roer, en heeft sindsdien bijna $ 55 miljoen aan particuliere financiering opgehaald, door deals te sluiten met Motorola en Hearst Publishing. Zowel media als experts hebben de technologie uitgeroepen tot het einde van het papier zoals wij dat kennen. Maar wat verloren ging in al het geroezemoes over elektronisch papier, is dat je nog steeds elektronica nodig hebt om de pixels (de inkt) van de displays aan te sturen. De prototypes die tot nu toe door E Ink zijn gebouwd, blijven vertrouwen op traditionele (lees: niet goedkope) siliciumchips om het display te besturen. Om ten volle van de technologie te profiteren, hebt u goedkope, flexibele elektronische schakelingen nodig. E Ink is onlangs een samenwerking aangegaan met Lucent Technologies, wiens onderzoekers hebben gewerkt aan manieren om organische transistors op flexibele plastic substraten te printen. (De twee bedrijven hopen dit najaar een werkend prototype van de technologie te onthullen.)
Jacobson heeft echter nog grotere ambities. Hij wil niet alleen de relatief eenvoudige elektronische schakelingen printen die nodig zijn om een beeldscherm te bedienen, hij wil de volgende stap gaan en een manier vinden om hoogwaardige logica te fabriceren in de orde van een Pentium met behulp van vergelijkbare printmethoden. Je zou niet alleen je scherm kunnen printen; je zou in zekere zin de pc zelf kunnen printen, of op zijn minst de essentiële circuits.
anorganische oplossing
Op traditionele wijze een chip zo krachtig maken als een Pentium is geen sinecure. Hoewel halfgeleiderfabrikanten zoals Intel de afgelopen decennia hebben geleerd om transistors steeds kleiner te maken, waardoor de microprocessors enorm veel beter presteren, is er niet veel veranderd aan de basismechanica van het maken van chips. Het basismateriaal blijft silicium, in dunne wafels gesneden. Bovenop de wafer komt een isolerende laag siliciumdioxide; op het siliciumdioxide wordt een dun laagje fotoresist (een lichtgevoelig materiaal) afgezet. Lichtstralen projecteren het patroon van de schakeling op de fotoresist via een stencil; het patroon wordt vervolgens geëtst door zuren of reactieve gassen. Er worden extra lagen silicium toegevoegd, doteermiddelen zoals boor of arseen worden in de mix gedaan en tot slot worden de transistors verbonden door middel van kleine aluminiumdraadjes.
De resulterende microchips zijn een technisch wonder en zijn grotendeels verantwoordelijk voor het voeden van de informatierevolutie. Door gebruik te maken van fabrieken die miljarden dollars kosten, kunnen Intel en anderen nu transistors maken met een diameter van slechts een paar honderd nanometer (een nanometer is een miljardste van een meter), en er tientallen miljoenen op een enkele chip worden verpakt. Het nadeel is dat de honderden fabricagestappen meer dan twee weken in beslag nemen en cleanrooms vereisen die honderden of duizenden keren zuiverder zijn dan uw gemiddelde laboratorium.
Afgelopen herfst beschreven Jacobson en zijn student Brent Ridley in het tijdschrift Science de eerste gedrukte anorganische transistors. Verschillende andere onderzoeksgroepen, met name bij Lucent's Bell Labs en Cambridge University in Groot-Brittannië, hebben ook transistors geprint. Deze groepen gebruiken echter organische polymeren; dergelijke materialen kunnen veelbelovend zijn in de elektronica die nodig is om goedkope, flexibele displays te maken. Maar organische transistors lijken inherent beperkt te zijn in rekensnelheid. De grote doorbraak van Jacobson is dat hij en zijn collega's van het Media Lab vloeibare suspensies van anorganische halfgeleiders hebben gemaakt - dezelfde klasse materialen die worden gebruikt in uw Pentium-chip - zodat ze kunnen worden gebruikt in een printproces. Met andere woorden, in plaats van logica in een stevig stuk silicium te snijden, drukt Jacobson het gewoon op een substraat.
Jacobsons optimisme wordt gerechtvaardigd door de snelle vorderingen van zijn groep bij het synthetiseren van halfgeleiderinkt. Onder normale omstandigheden vormen halfgeleidende materialen zoals silicium, cadmiumselenide en galliumarsenide bulkkristallen met smeltpunten ver boven 1000 C. Jacobson en zijn team hebben echter een manier gevonden om een oplossing van kleine nanokristallen van 100 atomen of minder te synthetiseren. Met deze halfgeleiderinkt kan een patroon worden aangebracht of worden afgedrukt op een verscheidenheid aan substraten, waaronder dunne vellen plastic, bij temperaturen onder 300 ° C. De deeltjes, merkt Jacobson op, zijn klein genoeg om structuren van 200 nanometer te vormen - ongeveer de schaal van complexe geïntegreerde schakelingen zoals Intel's Pentium-chip.
De suspensie van nanodeeltjes lijkt zo veel op conventionele inkten dat Jacobson en zijn collega's een inkjetprinter van Hitachi kunnen gebruiken om kleine machines te fabriceren die MEMS of micro-elektromechanische systemen worden genoemd. MEMS, een van de snelst groeiende nieuwe gebieden in materiaaltechnologie ( zien Moge de Micro Force bij je zijn , TR september/oktober 1999 ), worden meestal gemaakt met behulp van veel van dezelfde moeilijke technieken die worden gebruikt om conventionele siliciummicrochips te fabriceren. Met behulp van de inkjetprinter zijn Jacobson en zijn studenten erin geslaagd om zowel een werkende thermische actuator als een lineair aangedreven motor te maken met eigenschappen in de orde van grootte van 100 micrometer door simpelweg honderden inktlagen aan te brengen. En ze zijn in staat om de kleine machines te vormen zonder een schone kamer en bij temperaturen ver onder de 300 C.
De groep heeft de inkjetprinter ook gebruikt om veel intelligentere identificatietags voor radiofrequenties te produceren. Anderen werken ook aan dergelijke tags, maar vertrouwen op logica met behulp van organische transistors. Jacobson denkt dat de snellere logica die mogelijk is met anorganische stoffen zijn versie van de tags veel intelligenter kan maken, waardoor bedrijven alles kunnen volgen, van dure goederen tot de pakketten in een supermarkt. Een radiosignaaldetector zou de apparaten kunnen lezen, bijwerken en integreren in voorraadsystemen. Iemand zou een supermarkt kunnen binnenlopen, wat spullen oppikken en naar buiten lopen, en het geld zou automatisch worden opgeteld en afgeschreven van zijn of haar bankrekening en van het voorraadsysteem van de supermarkt.
Het gebruik van dergelijke gedrukte schakelingen is nog maar het begin. Omdat de computerlogica is afgedrukt, kan deze op bijna alles worden aangebracht: etiketten voor soepblikjes, textiel, frisdrankblikjes. Je kunt bijna alles wat je wilt intelligentie toevoegen, beweert Colin Bulthaup, een van Jacobsons studenten. Eén ding dat we willen doen, is een digitale camera in een visitekaartje bouwen: alles zit in het kaartje zelf. Er is geen reden om al deze onhandige siliciumchips te hebben. Je kunt je halfgeleider, je fotodetector - alle materialen samen - van een patroon voorzien en ze integreren in een enkel apparaat, een apparaat dat ongelooflijk klein, ongelooflijk goedkoop en ongelooflijk snel te produceren is.
Het maken van dergelijke apparaten met een inkjetprinter staat echter nog ver af van het printen van hoogwaardige logische circuits. Dat vereist het fabriceren van transistors en andere elektronische componenten op de schaal van een paar honderd nanometer - het precisieniveau in een Pentium-chip. Daarvoor heeft Jacobson gebruik gemaakt van polymeerzegels die er niet zo heel anders uitzien dan de zegels die worden gebruikt om documenten te certificeren. In één versie heeft de stempel de architectuur van het circuit in positief reliëf en is hij in de inkt van nanodeeltjes gedoopt; de schakeling wordt vervolgens met de hand overgebracht op een substraat. Veelbelovend is ook een negatieve stempel die een dun laagje inkt in reliëf maakt dat eerder op een plastic oppervlak is aangebracht. De kenmerken van de stempel duwen de inkt op bepaalde punten opzij en vormen elk kenmerk dat op de stempel is gegraveerd met een resolutie van 200 nanometer.
Pentium-uitdaging
Dit is allemaal een machtig aantrekkelijk visioen. Maar kan gedrukte elektronica daadwerkelijk concurreren met fabs van miljarden dollars bij het maken van de veeleisende schakelingen die nodig zijn voor hoogwaardige logica? Sigurd Wagner, bijvoorbeeld, denkt van niet. Wagner, hoogleraar elektrotechniek aan de Princeton University, doet ook onderzoek naar gedrukte anorganische logica, maar hij ziet zijn belofte in goedkope elektronica die over grote oppervlakken kan worden gebruikt, niet in het overnemen van hoogwaardige microprocessors.
Zijn doel, zegt Wagner, is niet concurreren met technologie voor geïntegreerde schakelingen; het is om een gebied binnen te gaan dat traditionele geïntegreerde schakelingen niet aankunnen. Aantrekkelijke toepassingen zijn behang dat werkt als een gigantisch beeldscherm, elektronica die in textiel is geweven, zelfs een elektronische huid die een vliegtuig bedekt dat mechanisch kan reageren op veranderende omstandigheden.
Jacobson is het ermee eens dat het resultaat op korte termijn zal liggen in het produceren van goedkope, flexibele elektronica die dergelijke toepassingen mogelijk zou kunnen maken. Er is een enorm aantal toepassingen voor ongelooflijk goedkope, energiezuinige wegwerplogica op plastic substraten, zegt hij. En voorlopig zijn de gedrukte schakelingen van Jacobson beter geschikt voor deze toepassingen. Om te beginnen zijn ze nog steeds veel te traag voor geavanceerde logische toepassingen; terwijl de anorganische transistors van Jacobson een orde van grootte sneller zijn dan de geprinte organische transistors van Lucent en andere onderzoeksgroepen, zijn ze nog steeds 100 keer langzamer dan de beste anorganische transistors die met conventionele technieken zijn gemaakt.
Maar het maken van de Pentium-achtige chips van morgen op een desktopfab blijft de twinkeling in Jacobson's ogen. Dat zal de snelheid van de afgedrukte anorganische logica vergen. Het is waarschijnlijk een onderzoeksproject van meerdere jaren, zegt hij, maar we denken dat het haalbaar is.
Het is precies het soort uitdaging en het enorm ambitieuze project waar Jacobson van geniet. Het is het soort project dat je doet nadenken over de mogelijkheden van een heel vertrouwd object. Met E Ink geeft hij een nieuwe draai aan een heel oude uitvinding: de gedrukte pagina. In plaats van de krant weg te gooien, wil Jacobson zijn deugden behouden en tegelijkertijd bijwerken voor het informatietijdperk. En nu heroverweegt hij de fabricage van geïntegreerde schakelingen. Als Jacobson zijn visie op gedrukte schakelingen praktisch kan maken, kan hij de betekenis van hardware veranderen en de halfgeleiderfabriek van miljarden dollars vervangen door iets dat niet zo verschilt van de postzegels die al duizenden jaren bestaan.
Terwijl de rest van de computerindustrie probeert de hardwareprijzen te verlagen door massaproductie van een paar gestandaardiseerde chips, gaat Jacobson in de tegenovergestelde richting en probeert hij van iedereen de meester en fabrikant van zijn of haar eigen logica te maken.