Pirmais oglekļa nanocaurules dators

Pirmo reizi pētnieki ir izveidojuši datoru, kura centrālais procesors ir pilnībā balstīts uz oglekļa nanocaurulēm, kas ir oglekļa forma ar ievērojamām materiāla un elektroniskām īpašībām. Dators ir lēns un vienkāršs, taču tā veidotāji, Stenfordas universitātes inženieru grupa, apgalvo, ka tas parāda, ka oglekļa nanocauruļu elektronika ir dzīvotspējīgs potenciāls silīcija aizstājējs, kad tas sasniedz robežas arvien mazākās elektroniskajās shēmās.

Caurules mikroshēma: Šajā skenējošās elektronu mikroskopijas attēlā redzama pirmā oglekļa nanocaurules datora sadaļa. Attēls tika iekrāsots, lai identificētu dažādas mikroshēmas daļas.

Oglekļa nanocaurules procesors pēc iespējām ir salīdzināms ar Intel 4004 , šī uzņēmuma pirmais mikroprocesors, kas tika izlaists 1971. gadā Subhašišs Mitra , Stenfordas elektroinženieris un viens no projekta līdz vadītājiem. Dators, kas šodien aprakstīts žurnālā Daba , palaiž vienkāršu programmatūras instrukciju kopu, ko sauc par MIPS. Tas var pārslēgties starp vairākiem uzdevumiem (skaitļu skaitīšana un kārtošana) un tiem sekot līdzi, kā arī var iegūt datus no ārējās atmiņas un nosūtīt tos atpakaļ uz to.

Nanocauruļu procesors sastāv no 178 tranzistoriem, no kuriem katrs satur oglekļa nanocaurules, kuru garums ir aptuveni 10 līdz 200 nanometri. Stenfordas grupa saka, ka tā ir izgatavojusi sešas oglekļa nanocauruļu datoru versijas, tostarp vienu, ko var savienot ar ārēju aparatūru - ciparu tastatūru, ko var izmantot, lai ievadītu skaitļus pievienošanai.

Ārons Franklins pētnieks no IBM Watson pētniecības centra Jorktaunahaitsā, Ņujorkā, saka, ka salīdzinājums ar 4004 un citiem agrīnajiem silīcija procesoriem ir piemērots. Viņš saka, ka šī ir lieliska demonstrācija cilvēkiem elektronikas aprindās, kuri ir šaubījušies par oglekļa nanocaurulēm.

Franklina grupa ir pierādījusi, ka atsevišķi oglekļa nanocauruļu tranzistori, kas ir mazāki par 10 nanometriem, ir ātrāki un energoefektīvāki nekā tie, kas izgatavoti no jebkura cita materiāla, tostarp silīcija. Teorētiskais darbs arī liecina, ka oglekļa nanocaurules dators būtu par vienu pakāpi energoefektīvāks nekā labākie silīcija datori. Un nanomateriāla spēja izkliedēt siltumu liecina, ka oglekļa nanocaurules datori var darboties ļoti ātri bez uzsilšanas — problēma, kas nosaka ātruma ierobežojumus silīcija procesoriem mūsdienu datoros.

Tomēr daži cilvēki šaubās, vai oglekļa nanocaurules aizstās silīciju. Darbs ar oglekļa nanocaurulēm ir liels izaicinājums. Parasti tos audzē tā, ka tie ir sajaukti, un apmēram trešdaļa cauruļu ir metāliskas, nevis pusvadošas, kas izraisa īssavienojumus.

Vairāku pēdējo gadu laikā Mitra ir sadarbojusies ar Stenfordas elektroinženieri Filips Vongs , kurš ir izstrādājis veidus, kā apiet dažus materiālu izaicinājumus, kas neļāva izveidot sarežģītas ķēdes no oglekļa nanocaurulēm. Vongs izstrādāja metodi, kā audzēt pārsvarā ļoti taisnas nanocaurules uz kvarca, pēc tam tās pārnesot uz silīcija substrātu, lai izveidotu tranzistorus. Stenfordas grupa arī pārklāj tranzistoru aktīvās zonas ar aizsargpārklājumu, pēc tam iegravē visas atklātās nanocaurules, kas ir nomaldījušās.

Wong un Mitra arī pieliek spriegumu, lai izslēgtu visas mikroshēmas pusvadošās nanocaurules. Tad tie impulsē lielu strāvu caur mikroshēmu; metāliskie uzsilst, oksidējas un sadalās. Visus šos nanocaurulēm raksturīgos labojumus un pārējo ražošanas procesu var veikt ar standarta aprīkojumu, kas tiek izmantots mūsdienu silīcija mikroshēmu izgatavošanai. Šajā ziņā process ir mērogojams.

Pagājušā mēneša beigās plkst Hot Chips , inženiertehniskā dizaina konference, kas nejauši notika Stenfordā, DARPA Mikrosistēmu tehnoloģiju biroja direktors izraisīja satraukumu, apspriežot silīcija elektronikas beigas. Pamatnostādnē Roberts Kolvels , bijušais Intel galvenais arhitekts, prognozēja, ka jau 2020. gadā skaitļošanas nozare vairs nespēs turpināt veiktspējas un izmaksu uzlabojumus, divkāršojot silīcija tranzistoru blīvumu mikroshēmās ik pēc 18 līdz 24 mēnešiem — tas ir varoņdarbs, kas nodēvēts par Mūra likumu. pēc Intel līdzdibinātāja Gordona Mūra, kurš pirmais novēroja šo tendenci.

Mitra un Wong cer, ka viņu dators parāda, ka oglekļa nanocaurules var būt nopietna atbilde uz jautājumu, kas notiks tālāk. Pagaidām neviena no jaunajām tehnoloģijām nav pieskārusies silīcijam. No visiem topošajiem materiāliem un jaunām idejām, kas tika uzskatītas par iespējamiem glābējiem — nanovadiem, spintroniku, grafēnu, bioloģiskajiem datoriem — neviens nav izveidojis centrālo procesoru, pamatojoties uz kādu no tiem, saka Mitra. Šajā kontekstā ir aizraujoši sasniegt silīcija sniegumu aptuveni 1970. gadā, lai gan tas atstāj daudz darāmā.

Viktors Žirnovs , speciālists nanoelektronikas jomā Pusvadītāju pētniecības korporācija Daremā, Ziemeļkarolīnā, ir daudz piesardzīgāk optimistisks. Viņš atzīmē, ka nanocaurules procesoram ir par 10 miljoniem reižu mazāk tranzistoru nekā mūsdienu tipiskajos mikroprocesoros, tas darbojas daudz lēnāk un darbojas ar piecas reizes lielāku spriegumu, kas nozīmē, ka tas patērē apmēram 25 reizes vairāk enerģijas.

Daļa nanocauruļu datora lēnuma ir saistīta ar apstākļiem, kādos tas tika uzbūvēts — akadēmiskajā laboratorijā, izmantojot to, kas bija pieejams Stenfordas grupai, nevis nozares standarta rūpnīcā. Procesors ir savienots ar ārējo cieto disku, kas kalpo kā atmiņa, izmantojot lielu elektrisko vadu saišķi, no kuriem katrs ir savienots ar lielu metāla tapu nanocaurules procesora augšpusē. Katrs no tapām savukārt savienojas ar ierīci mikroshēmā. Šis netīrais iepakojums nozīmē, ka datiem ir jāpārvietojas lielāki attālumi, kas samazina datora efektivitāti.

Izmantojot pieejamos rīkus, Stenfordas grupa arī nevar izgatavot tranzistorus, kas ir mazāki par aptuveni vienu mikrometru — salīdziniet to ar Intel šī mēneša paziņojumu, ka nākamā produktu līnija tiks veidota, izmantojot 14 nanometru tehnoloģiju. Tomēr, ja grupa pārietu uz vismodernāko iekārtu, tās ražošanas ražība pietiekami palielinātos, lai varētu izgatavot datorus ar tūkstošiem mazāku tranzistoru, un dators varētu darboties ātrāk.

Lai sasniegtu izcilo veiktspējas līmeni, ko teorētiski piedāvā nanocaurules, pētniekiem būs jāiemācās izveidot sarežģītas integrālās shēmas, kas sastāv no senatnīgiem vienas nanocaurules tranzitoriem. Franklins saka, ka ierīču un materiālu ekspertiem, piemēram, viņa grupai IBM, ir jāsāk strādāt ciešākā sadarbībā ar ķēžu dizaineriem, piemēram, Stenfordas, lai panāktu reālu progresu.

Mēs labi zinām, ka silīcijs beidzas, un pēc 10 gadiem tas tuvojas beigām, saka Žirnovs. Ja oglekļa nanocaurules kļūs praktiskas, tam jānotiek ātri.

paslēpties