211service.com
IBM: Commerciële nanobuistransistoren komen eraan
Al meer dan tien jaar maken ingenieurs zich zorgen dat ze geen trucjes meer hebben om siliciumtransistors te blijven krimpen. De nieuwste chips van Intel hebben transistors met functies zo klein als 14 nanometer, maar het is onduidelijk hoe de industrie siliciumtransistors nog veel verder kan verkleinen of wat ze zou kunnen vervangen.
Chiptest : Elke chip op deze wafer heeft 10.000 nanobuistransistors. IBM hoopt binnenkort na 2020 miljarden van de apparaten op één chip te kunnen zetten.
Een project bij IBM is nu gericht op het bouwen van transistors met koolstofnanobuizen die klaar zijn om de siliciumtransistors kort na 2020 over te nemen. Volgens de routekaart van de halfgeleiderindustrie moeten transistors op dat moment eigenschappen hebben van slechts vijf nanometer om gelijke tred te houden met de continue miniaturisatie van computerchips. Dat is waar silicium scaling opraakt, en er is echt niets anders, zegt Wilfried Haensch, die het nanobuisjesproject van het bedrijf leidt bij de T.J. Watson onderzoekscentrum in Yorktown Heights, New York. Nanobuisjes zijn de enige technologie die in staat lijkt te voorkomen dat de opmars van computerkracht vertraagt, door een praktische manier te bieden om zowel kleinere als snellere transistors te maken, zegt hij.
In 1998 maakten onderzoekers van IBM een van de eerste werkende transistors van koolstofnanobuisjes. En nu, na meer dan tien jaar onderzoek, is IBM het eerste grote bedrijf dat zich ertoe verbindt de technologie klaar te maken voor commercialisering.
We hebben er eerder aan gewerkt als een soort sandbox, zegt James Hannon , hoofd van de groep moleculaire assemblages en apparaten van IBM. Hannon leidde IBM's nanobuiswerk vóór Haensch, die het in 2011 overnam na een carrière in de productie van conventionele chips. Wilfried sloot zich aan met een achtergrond in siliciumtechnologie [en] onze focus verschoof echt.
Het team van Haensch koos het doelwit voor commercialisering op basis van het tijdschema van technische verbeteringen die de chipindustrie heeft uitgestippeld om de wet van Moore levend te houden, een voorspelling uit 1965 dat het aantal transistors dat in een circuit zou kunnen worden gepropt, elke twee jaar zou verdubbelen. Generaties van chiptechnologie staan bekend om de grootte van de kleinste structuur die ze in een chip kunnen schrijven. Het huidige beste is 14 nanometer, en tegen 2020, om de wet van Moore bij te houden, moet de industrie nog maar vijf nanometer hebben. Dit is het punt waarop IBM hoopt dat nanobuisjes kunnen ingrijpen meest recente rapport van de microchip-industriegroep zegt de ITRS dat het zogenaamde vijf-nanometerknooppunt in 2019 wordt verwacht.
IBM heeft onlangs chips gemaakt met 10.000 nanobuistransistors (zie Een nanobuiscomputer bouwen ). Nu werkt het aan een transistorontwerp dat kan worden gebouwd op de siliciumwafels die tegenwoordig in de industrie worden gebruikt met minimale wijzigingen in bestaande ontwerp- en productiemethoden. Het ontwerp is mede gekozen op basis van simulaties die de prestaties van een chip met miljarden transistors evalueerden. Die simulaties suggereren dat het gekozen ontwerp ervoor moet zorgen dat een microprocessor vijf keer zo snel is als een siliciumprocessor die dezelfde hoeveelheid stroom verbruikt.
Het gekozen ontwerp van IBM maakt gebruik van zes nanobuisjes die parallel zijn opgesteld om een enkele transistor te maken. Elke nanobuis is 1,4 nanometer breed, ongeveer 30 nanometer lang en op ongeveer acht nanometer afstand van zijn buren. Beide uiteinden van de zes buizen zijn ingebed in elektroden die stroom leveren, waardoor ongeveer 10 nanometer van hun lengte in het midden zichtbaar blijft. Een derde elektrode loopt loodrecht onder dit gedeelte van de buizen en schakelt de transistor aan en uit om digitale enen en nullen weer te geven.
Het IBM-team heeft nanobuistransistors met dat ontwerp getest, maar heeft tot nu toe geen manier gevonden om de nanobuisjes dicht genoeg bij elkaar te plaatsen, omdat bestaande chiptechnologie op die schaal niet kan werken. De favoriete oplossing is om het substraat en de nanobuisjes chemisch te labelen met verbindingen die ervoor zorgen dat ze zichzelf op hun plaats assembleren. Die verbindingen kunnen dan worden verwijderd, waardoor de nanobuisjes correct worden gerangschikt en klaar zijn om elektroden en andere schakelingen toe te voegen om een chip af te werken.
Het team van Haensch koopt nanobuisjes in bulk van industriële leveranciers en filtert de buisjes met de juiste eigenschappen voor transistors eruit met een aangepaste versie van een machine die wordt gebruikt om moleculen zoals eiwitten in de farmaceutische industrie te filteren. Het gebruikt elektrische lading om halfgeleidende nanobuisjes die nuttig zijn voor transistors te scheiden van die welke elektriciteit geleiden zoals metalen en die niet kunnen worden gebruikt voor transistors.
Vorig jaar creëerden onderzoekers van Stanford de eerste eenvoudige computer die was gebouwd met alleen nanobuistransistors (zie The First Nanotube Computer). Maar die componenten waren omvangrijk en traag in vergelijking met siliciumtransistors, zegt Subhasish Mitra , een professor die aan het project werkte. We weten nu dat je met koolstofnanobuisjes iets nuttigs kunt bouwen, zegt hij. De vraag is: hoe krijg je de prestaties die je nodig hebt?
Hoewel IBM er niet in is geslaagd om nanobuistransistors klein genoeg te maken voor massaproductie, zegt Mirta dat het concrete stappen heeft gezet en processen heeft bedacht die geschikt zouden moeten zijn voor de halfgeleiderindustrie.
Voorlopig blijven IBM's inspanningen op het gebied van nanobuisjes echter binnen zijn onderzoekslaboratoria, niet in zijn halfgeleiderbedrijf. En de onderzoekers zijn open over het feit dat succes niet gegarandeerd is. Vooral als de nanobuistransistors niet snel klaar zijn na 2020, wanneer de industrie ze nodig heeft, kan de kans worden gesloten, zegt Hannon van IBM.
Als nanobuisjes het niet halen, is er weinig anders dat veel potentieel vertoont om in dat tijdsbestek de siliciumtransistors over te nemen. Apparaten die de spin van individuele elektronen manipuleren, zijn de meest geschikte kandidaat (zie op silicium gebaseerde spintronica), maar ze zijn minder volwassen en in tegenstelling tot koolstofnanobuisjes gedragen ze zich niet op dezelfde manier als siliciumtransistors, zegt Hannon.