211service.com
Den första kolnanorörsdatorn
För första gången har forskare byggt en dator vars centrala processor helt bygger på kolnanorör, en form av kol med anmärkningsvärda material och elektroniska egenskaper. Datorn är långsam och enkel, men dess skapare, en grupp Stanford University-ingenjörer, säger att den visar att kolnanorörselektronik är en livskraftig potentiell ersättning för kisel när den når sina gränser i allt mindre elektroniska kretsar.
Rörchip: Denna svepelektronmikroskopbild visar en sektion av den första kolnanorörsdatorn någonsin. Bilden färgades för att identifiera olika delar av chipet.
Kolnanorörsprocessorn är jämförbar i kapacitet med Intel 4004 , säger företagets första mikroprocessor, som släpptes 1971 Subhasish Mitra , en elektroingenjör på Stanford och en av projektets medledare. Datorn, beskriven idag i journalen Natur , kör en enkel programvaruinstruktionsuppsättning som heter MIPS. Den kan växla mellan flera uppgifter (räkna och sortera siffror) och hålla reda på dem, och den kan hämta data från och skicka tillbaka den till ett externt minne.
Nanorörsprocessorn består av 178 transistorer, som var och en innehåller kolnanorör som är cirka 10 till 200 nanometer långa. Stanford-gruppen säger att de har gjort sex versioner av kolnanorörsdatorer, inklusive en som kan anslutas till extern hårdvara - en numerisk knappsats som kan användas för att mata in siffror för tillägg.
Aaron Franklin , en forskare vid IBM Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, säger att jämförelsen med 4004 och andra tidiga kiselprocessorer är träffande. Det här är en fantastisk demonstration för människor inom elektronikbranschen som har tvivlat på kolnanorör, säger han.
Franklins grupp har visat att enskilda kolnanorörstransistorer - mindre än 10 nanometer - är snabbare och mer energieffektiva än de som är gjorda av något annat material, inklusive kisel. Teoretiskt arbete har också föreslagit att en kolnanorörsdator skulle vara en storleksordning mer energieffektiv än de bästa silikondatorerna. Och nanomaterialets förmåga att avleda värme tyder på att kolnanorörsdatorer kan köra blixtrande snabbt utan att värmas upp - ett problem som sätter hastighetsgränser för kiselprocessorerna i dagens datorer.
Ändå tvivlar vissa människor på att kolnanorör kommer att ersätta kisel. Att arbeta med kolnanorör är en stor utmaning. De odlas vanligtvis på ett sätt som lämnar dem i en trasslig röra, och ungefär en tredjedel av rören är metalliska snarare än halvledande, vilket orsakar kortslutningar.
Under de senaste åren har Mitra samarbetat med Stanfords elektroingenjör Philip Wong , som har utvecklat sätt att kringgå några av materialutmaningarna som har förhindrat skapandet av komplexa kretsar från kolnanorör. Wong utvecklade en metod för att odla mestadels mycket raka nanorör på kvarts och sedan överföra dem till ett kiselsubstrat för att göra transistorerna. Stanford-gruppen täcker också upp transistorernas aktiva områden med en skyddande beläggning och etsar sedan bort alla exponerade nanorör som har kommit på avvägar.
Wong och Mitra använder också en spänning för att stänga av alla halvledande nanorör på ett chip. Sedan pulserar de en stor ström genom chipet; de metalliska värms upp, oxideras och sönderfaller. Alla dessa nanorörsspecifika korrigeringar – och resten av tillverkningsprocessen – kan göras på standardutrustningen som används för att tillverka dagens kiselchips. I den meningen är processen skalbar.
I slutet av förra månaden kl Hot Chips , en teknisk designkonferens som av en slump anordnades i Stanford, gjorde direktören för Microsystems Technology Office vid DARPA uppståndelse genom att diskutera slutet på kiselelektronik. I en keynote, Robert Colwell , tidigare chefsarkitekt på Intel, förutspådde att så tidigt som 2020 kommer datorindustrin inte längre att kunna fortsätta göra prestanda- och kostnadsförbättringar genom att fördubbla tätheten av kiseltransistorer på chips var 18:e till 24:e månad – en bedrift som kallas Moores lag efter Intels grundare Gordon Moore, som först observerade trenden.
Mitra och Wong hoppas att deras dator visar att kolnanorör kan vara ett seriöst svar på frågan om vad som kommer härnäst. Hittills har ingen ny teknik kommit i närheten av att röra kisel. Av alla framväxande material och nya idéer som hålls upp som möjliga räddare – nanotrådar, spintronik, grafen, biologiska datorer – har ingen gjort en central bearbetningsenhet baserad på någon av dem, säger Mitra. I det sammanhanget är det spännande att komma ikapp med silikons prestanda omkring 1970, även om det lämnar mycket arbete att göra.
Victor Zhirnov , en specialist på nanoelektronik vid Semiconductor Research Corporation i Durham, North Carolina, är mycket mer försiktigt optimistisk. Nanorörsprocessorn har 10 miljoner gånger färre transistorer på sig än dagens typiska mikroprocessorer, går mycket långsammare och arbetar med fem gånger spänningen, vilket betyder att den använder ungefär 25 gånger så mycket ström, noterar han.
En del av nanorörsdatorns tröghet beror på förhållandena under vilka den byggdes – i ett akademiskt labb med det som Stanford-gruppen hade tillgång till, inte en industristandardfabrik. Processorn är ansluten till en extern hårddisk, som fungerar som minne, genom ett stort knippe elektriska ledningar, som var och en ansluts till ett stort metallstift ovanpå nanorörsprocessorn. Var och en av stiften ansluts i sin tur till en enhet på chippet. Denna röriga förpackning innebär att data måste resa längre sträckor, vilket minskar datorns effektivitet.
Med verktygen till hands kan Stanford-gruppen inte heller göra transistorer mindre än cirka en mikrometer - jämför det med Intels tillkännagivande tidigare denna månad att dess nästa produktlinje kommer att byggas på 14-nanometersteknologi. Om gruppen däremot skulle gå in i en toppmodern fab, skulle dess tillverkningsutbyte förbättras tillräckligt för att kunna göra datorer med tusentals mindre transistorer, och datorn skulle kunna köras snabbare.
För att nå den suveräna prestandanivån som teoretiskt erbjuds av nanorör, måste forskare lära sig hur man bygger komplexa integrerade kretsar som består av orörda enstaka nanorörstransitorer. Franklin säger att enhets- och materialexperter som hans grupp på IBM måste börja arbeta i närmare samarbete med kretsdesigners som de på Stanford för att göra verkliga framsteg.
Vi är väl medvetna om att kisel håller på att ta slut, och inom 10 år närmar det sig sitt slut, säger Zhirnov. Om kolnanorör ska bli praktiska måste det ske snabbt.