211service.com
Den första datorprocessorn i plast
Kisel kan stödja datorerna som omger oss, men halvledarens stela inflexibilitet gör att den inte kan nå överallt. Den första datorprocessorn och minneschips gjorda av plasthalvledare tyder på att ingenstans någonstans kommer att vara utanför gränserna för datorkraft.
Plastkraft: Denna mikroprocessor är gjord av organiska material. Den är ynklig jämfört med de flesta silikonprocessorer, men är flexibel och billig.
Forskare i Europa använde 4 000 plast-, eller organiska, transistorer för att skapa plastmikroprocessorn, som mäter ungefär två centimeter i kvadrat och är byggd ovanpå flexibel plastfolie. Jämfört med att använda kisel har detta fördelen av lägre pris och att det kan vara flexibelt, säger Jan Genoe på IMEC nanoteknikcenter i Leuven, Belgien. Genoe och IMEC-kollegor arbetade med forskare vid TNO forskningsorganisation och visningsföretag Polymer Vision , båda i Nederländerna.
Processorn kan än så länge bara köra ett enkelt program med 16 instruktioner. Kommandona är hårdkodade till en andra folie etsad med plastkretsar som kan anslutas till processorn för att ladda programmet. Detta gör att processorn kan beräkna ett löpande medelvärde av en inkommande signal, något som ett chip som är involverat i att bearbeta signalen från en sensor kan göra, säger Genoe. Chipet körs med en hastighet av sex hertz - i storleksordningen en miljon gånger långsammare än en modern stationär dator - och kan bara bearbeta information i åtta-bitars bitar som mest, jämfört med 128 bitar för moderna datorprocessorer.
Organiska transistorer har redan använts i vissa LED-skärmar och RFID-taggar, men har inte använts för att göra en processor av något slag. Mikroprocessorn presenterades på ISSCC konferens i San Jose, Kalifornien, förra månaden.
Att göra processorn börjar med ett 25 mikrometer tjockt ark av flexibel plast, som det du kan slå in din lunch med, säger Genoe. Ett lager av guldelektroder deponeras ovanpå, följt av ett isolerande lager av plast, ytterligare ett lager av guldelektroder och plasthalvledarna som utgör processorns 4 000 transistorer. Dessa transistorer gjordes genom att snurra plastfolien för att sprida en droppe organisk vätska i ett tunt, jämnt lager. När folien värms upp försiktigt omvandlas vätskan till fast pentacen, en vanlig organisk halvledare. De olika skikten etsades sedan med fotolitografi för att göra det slutliga mönstret för transistorer.
I framtiden skulle sådana processorer kunna tillverkas billigare genom att skriva ut de organiska komponenterna som bläck, säger Genoe. Det finns forskargrupper som arbetar med utskrift från rulle till rulle eller ark till ark, säger han, men det krävs fortfarande vissa framsteg för att göra organiska transistorer i små storlekar som inte är vingliga, vilket betyder fysiskt oregelbundna. De bästa utskriftsmetoderna i labbskala hittills kan bara leverera tillförlitliga transistorer på tiotals mikrometer, säger han.
Att skapa en processor gjord av plasttransistorer var en utmaning, för till skillnad från de gjorda av beställda kiselkristaller, kan inte alla lita på att de beter sig som alla andra. Plasttransistorer beter sig lite olika eftersom de är uppbyggda av blandade, amorfa samlingar av pentacenkristaller. Du kommer inte att ha två som är lika, säger Geneo. Vi var tvungna att studera och simulera den variationen för att utarbeta en design med störst chans att bete sig korrekt.
Teamet lyckades, men det betyder inte att scenen är klar för plastprocessorer att ersätta kisel i konsumentdatorer. Organiska material begränsar i grunden driftshastigheten, förklarar Genoe. Han förväntar sig att plastprocessorer kommer att dyka upp på platser där kisel är blockerat av dess kostnad eller fysiska oflexibilitet. Den lägre kostnaden för de organiska materialen som används jämfört med konventionellt kisel borde göra plastmetoden cirka 10 gånger billigare.
Du kan föreställa dig en organisk gassensor lindad runt ett gasrör för att rapportera om eventuella läckor med en flexibel mikroprocessor för att rensa upp den brusiga signalen, säger han. Plastelektronik skulle också kunna göra det möjligt att bygga in interaktiva engångsdisplayer i förpackningar, till exempel för mat, säger Genoe. Du kan trycka på en knapp för att få den att räkna ihop kalorierna i kakorna du åt, säger han.
Men sådana applikationer kommer att kräva mer än bara plastprocessorer, säger Wei Zhang, som arbetar med organisk elektronik vid University of Minnesota. Vid samma konferens där den organiska processorn avtäcktes presenterade Zhang och kollegor det första tryckta organiska minnet av en typ som kallas DRAM, som fungerar tillsammans med processorn i de flesta datorer för korttidslagring av data. Den 24-millimeters kvadratiska minnesuppsättningen skapades genom att bygga upp flera lager av organiskt bläck som sprutades från ett munstycke som en aerosol. Den kan lagra 64 bitar av information.
Tidigare tryckt minne har varit icke-flyktigt, vilket innebär att det innehåller data även när strömmen är avstängd och är inte lämplig för korttidslagring som involverar frekvent skrivning, läsning och omskrivning, säger Zhang. Minnesota-gruppen kunde skriva ut DRAM eftersom de tog fram en form av tryckt, organisk transistor som använder en jonrik gel för det isolerande materialet som separerar dess elektroder.
Jonerna inuti gör att gelskiktet kan lagra mer laddning än en konventionell, jonfri isolator. Det tar upp två problem som har begränsad organisk minnesutveckling. Gelens laddningslagringsförmåga minskar kraften som behövs för att driva transistorn och minnet som byggts från den; det gör det också möjligt för laddningsnivåerna som används för att representera 1 och 0 i minnet att vara mycket distinkta och bestå så länge som en minut utan att minnet behöver uppdateras.
Organiskt, tryckt DRAM skulle kunna användas för korttidslagring av bildramar i displayer som idag är gjorda med tryckta organiska lysdioder, säger Zhang. Det skulle göra det möjligt att tillverka fler enheter med utskriftsmetoder och eliminera vissa kiselkomponenter, vilket minskar kostnaderna.
Att hitta ett sätt att kombinera organiska mikroprocessorer och minne kan sänka priserna ytterligare, även om Zhang säger att de två ännu inte är redo att ansluta. Dessa insatser är nya tekniker, så vi kan inte garantera att de kommer att byggas och fungera tillsammans, säger Zhang. Men i framtiden skulle det vara vettigt.