211service.com
Skriv ut din nästa dator
Som Joseph Jacobson tycker om att påpeka, trots alla vinster i halvledarchipprestanda under de senaste decennierna, är en typisk integrerad krets - hjärnan bakom din dator - fortfarande alldeles för dyr för de flesta människor på planeten. Titta på hur [ett chip] görs, säger han och slår luften med ena handen samtidigt som han styr en PowerPoint-presentation med den andra. Att tillverka ett högkvalitativt logiskt chip som Intels Pentium-processor, påpekar han, tar två veckor, sju dagar i veckan, 24 timmar om dygnet. Chiptillverkningsanläggningar som de som Intel har är ett verktyg för 1,6 miljarder dollar. Och det finns väldigt få människor på jorden som kan röra det verktyget.
Jacobsons lösning: en stationär fabrik som kan skriva ut kretsar direkt på ett substrat, som plast, utan kostnad och krångel med en tillverkningsanläggning för mångmiljarder dollar. Jacobson, chef för Printed PC Group vid MIT:s Media Lab, har redan lyckats skriva ut rudimentära men fungerande transistorer med ett bläck som består av nanometerstora halvledarpartiklar. Vårt mål är att följa den bana kisel tog, och börja skriva ut processorer med kanske flera hundra transistorer, flytta till tusentals och sedan mer, säger Jacobson. Vi borde kunna demonstrera en mycket enkel processor under de kommande 12 till 18 månaderna. Och han förutspår att utskrivna logikchips med hastigheten och kraften hos en Pentium så småningom skulle kunna bli möjliga, vilket gör mikrochips tillgängliga för en bråkdel av tiden och kostnaden förknippad med konventionell tillverkning.
Om Jacobsons vision blir verklighet kan det förändra allt i datorhårdvara. Tryckt elektronik kan vara tillräckligt billigt för att hitta in i allt från tapeter som kan visa föränderliga bilder till specialdesignade logiska kretsar. En chipfab på varje dator kan skapa den dag då individer laddar ner arkitekturen för integrerade kretsar på det sätt som de laddar ner mjukvara idag. Det kan kort sagt förändra hårdvarutillverkningen på samma sätt som öppen källkodsrörelsen har förändrat hur mjukvara skrivs. I själva verket, när han är mest visionär, hävdar Jacobson att tryckt logik kan ge upphov till en hårdvarurörelse med öppen källkod där chips specialdesignas via Internet och skrivs ut av konsumenten på ungefär samma tid som det tar att skriva ut en webbsida. Du kan, säger Jacobson, ladda ner chipdesignen från webben, binda in några modifieringar från någon kille i Indien, och enheten kommer att slå ut.
Det är lunchtid i Jacobsons labb, ett fönsterlöst rum med tovor av färgad kabel som hänger från väggarna och taket och en rad kemiska huvar längs ena väggen. Jacobsons entusiasm är smittsam, och det trånga labbet är uppenbarligen där han och hans handfull elever tillbringar större delen av sin tid, även när de äter. Det vi är intresserade av är att ge mig en bit plast och inom några sekunder ger jag tillbaka en Pentium, eller något av den komplexiteten, säger han mellan munnen. Jag menar det på allvar. Inte långsammare än en Pentium; omöjlig att skilja från en Pentium.
Ett sådant påstående skulle vara svårt att svälja från nästan alla andra. Men den 35-årige docenten har legitimationen att leverera varorna. När allt kommer omkring, när Jacobson gick med i Media Lab 1996, lät hans omedelbara ambition nästan lika besynnerlig. Jag ville ha en display [skärm] som kunde skrivas ut, minns Jacobson. Jag ville ha något som var otroligt billigt, något som skulle se ut som bläck på papper. Något, med andra ord, som elektroniskt papper.
Hans lösning var ett riff om forskning som utfördes vid Xerox Palo Alto Research Center (PARC) på 1970-talet, där forskare hade skapat mikroskopiska bollar som var svarta på toppen, vita på botten. En elektrisk laddning bestämde vilken sida av kulorna som roterade uppåt. Med några smarta ledningar kunde bollarna göras för att bilda bokstäver och ord. Jacobson och en handfull MIT-studenter förde idén i nya riktningar. Istället för att göra bollar i två färger, tillverkade de miljontals små mikrokapslar, som var och en innehöll en flytande blandning av olja, mörkt färgämne och små skärvor av vitt pigment. De skiktade sedan materialet på flexibel plast och placerade det mellan genomskinliga elektroder på toppen och botten. Beroende på vilken laddning som appliceras, migrerar de vita skärvorna mot toppen eller botten av sfären, och när de aktiveras samtidigt kan elektroderna tvinga bläcket till igenkännbara mönster.
Resten är grejer från venture-startup-legender. E Ink bildades 1997 med flera av Jacobsons elever vid rodret, och har sedan dess samlat in nästan 55 miljoner dollar i privat finansiering och gjort avtal med sådana som Motorola och Hearst Publishing. Både media och förståsigpåare har utropat tekniken som slutet på papper som vi känner det. Men det som gick vilse i allt surr över elektroniskt papper är att du fortfarande behöver elektronik för att driva bildpunkterna (bläcket) på bildskärmarna. De prototyper som hittills byggts av E Ink fortsätter att förlita sig på traditionella (läs: inte billiga) silikonchips för att styra skärmen. För att dra full nytta av tekniken behöver du billiga, flexibla elektroniska kretsar. E Ink har nyligen samarbetat med Lucent Technologies, vars forskare har arbetat på sätt att skriva ut organiska transistorer på flexibla plastsubstrat. (De två företagen hoppas kunna avslöja en fungerande prototyp av tekniken i höst.)
Jacobson har dock ännu större ambitioner. Han vill inte bara skriva ut de relativt enkla elektroniska kretsar som krävs för att styra en bildskärm, han vill gå nästa steg och hitta ett sätt att tillverka högkvalitativ logik i storleksordningen av en Pentium med liknande utskriftsmetoder. Inte bara skulle du kunna skriva ut din skärm; du kan på sätt och vis skriva ut själva datorn - eller åtminstone dess väsentliga kretsar.
Oorganisk lösning
Att göra ett chip lika kraftfullt som ett Pentium på traditionellt sätt är inte en lätt bedrift. Medan halvledartillverkare som Intel har lärt sig att göra transistorer mindre och mindre under de senaste decennierna, genom att pressa in mycket mer prestanda i mikroprocessorerna, har den grundläggande mekaniken för chiptillverkning inte förändrats mycket. Basmaterialet förblir kisel, skivat i tunna skivor. Ett isolerande lager av kiseldioxid går ovanpå skivan; ett tunt lager av fotoresist (ett ljuskänsligt material) avsätts på kiseldioxiden. Ljusstrålar projicerar kretsens mönster på fotoresisten genom en stencil; mönstret etsas sedan ut av syror eller reaktiva gaser. Ytterligare lager av kisel läggs till, dopämnen som bor eller arsenik tillsätts i blandningen och slutligen kopplas transistorerna samman med hjälp av små aluminiumtrådar.
De resulterande mikrochipsen är ett tekniskt underverk och är till stor del ansvariga för att underblåsa informationsrevolutionen. Genom att använda mångmiljarddollar tillverkningsanläggningar kan Intel och andra nu göra transistorer så små som några hundra nanometer i diameter (en nanometer är en miljarddels meter), och packa tiotals miljoner av dem på ett enda chip. Nackdelen är att de flera hundra tillverkningsstegen tar uppåt två veckor och kräver rena rum hundratals eller tusentals gånger mer orörda än ditt genomsnittliga laboratorium.
I höstas beskrev Jacobson och hans elev Brent Ridley i tidskriften Science de första tryckta oorganiska transistorerna. Flera andra forskargrupper, framför allt vid Lucent's Bell Labs och Cambridge University i Storbritannien, har också tryckt transistorer. Dessa grupper använder emellertid organiska polymerer; sådana material kan ha mycket lovande i den elektronik som krävs för att göra billiga, flexibla displayer. Men organiska transistorer verkar vara begränsade i beräkningshastighet. Jacobsons stora genombrott är att han och hans kollegor på Media Lab har skapat flytande suspensioner av oorganiska halvledare - samma klass av material som används i ditt Pentium-chip - så att de kan användas i en utskriftsprocess. Med andra ord, istället för att hugga in logik i en solid bit kisel, trycker Jacobson helt enkelt ut den på ett substrat.
Jacobsons optimism motiveras av hans grupps snabba framsteg när det gäller att syntetisera halvledarbläck. Under normala förhållanden bildar halvledande material som kisel, kadmiumselenid och galliumarsenid bulkkristaller med smältpunkter långt över 1000 C. Jacobson och hans team har dock hittat ett sätt att syntetisera en lösning av små nanokristaller med 100 atomer eller mindre. Detta halvledarbläck kan mönstras eller tryckas på en mängd olika substrat, inklusive tunna plastskivor, vid temperaturer under 300 C. Partiklarna, konstaterar Jacobson, är tillräckligt små för att bilda strukturer på 200 nanometer - ungefär samma omfattning som komplexa integrerade kretsar som t.ex. Intels Pentium-chip.
Suspensionen av nanopartiklar är så lik konventionella bläck att Jacobson och hans medarbetare kan använda en bläckstråleskrivare tillverkad av Hitachi för att tillverka små maskiner som kallas MEMS, eller mikroelektromekaniska system. MEMS, som är ett av de snabbast växande nya områdena inom materialteknik ( ser Må mikrokraften vara med dig , TR september/oktober 1999 ), tillverkas vanligtvis med många av samma svåra tekniker som används för att tillverka konventionella kiselmikrochips. Med hjälp av bläckstråleskrivaren har Jacobson och hans elever lyckats skapa både ett fungerande termiskt ställdon och en linjärdriven motor med funktioner i storleksordningen 100 mikrometer genom att helt enkelt avsätta hundratals lager av bläck. Och de kan forma de små maskinerna utan ett rent rum och vid temperaturer långt under 300 C.
Gruppen har också använt bläckstråleskrivaren för att producera mycket mer intelligenta radiofrekvensidentifieringstaggar. Andra arbetar också med sådana taggar men förlitar sig på logik som använder organiska transistorer. Jacobson tror att den snabbare logiken som är möjlig med oorganiska ämnen kan göra hans version av taggarna mycket mer intelligent, vilket gör att företag kan spåra allt från dyra varor till paketen i en stormarknad. En radiosignaldetektor kunde läsa av enheterna, uppdatera dem och integrera dem i lagersystem. En person kunde gå in i en stormarknad, plocka upp några föremål och gå ut, och pengarna skulle automatiskt räknas upp och dras från hans eller hennes bankkonto och från stormarknadens lagersystem.
Att använda sådana tryckta kretsar är bara början. Eftersom datorlogiken är utskriven kan den placeras på ytan av nästan vad som helst: etiketter på soppburkar, textilier, läskburkar. Du kan lägga till intelligens till nästan vad du vill, hävdar Colin Bulthaup, en av Jacobsons elever. En sak vi vill göra är att bygga en digitalkamera i ett visitkort: allt inbäddat i själva kortet. Det finns ingen anledning att ha alla dessa klumpiga silikonchips. Du kan mönstra din halvledare, din fotodetektor - allt material tillsammans - och integrera dem i en enda enhet, en som är otroligt liten, otroligt billig och otroligt snabb att producera.
Att tillverka sådana enheter med en bläckstråleskrivare är dock fortfarande långt ifrån att skriva ut logiska kretsar av hög kvalitet. Det kräver tillverkning av transistorer och andra elektroniska komponenter i en skala av några hundra nanometer - precisionsnivån i ett Pentium-chip. För det har Jacobson använt sig av polymerstämplar som inte ser så annorlunda ut än de stämplar som används för att certifiera dokument. I en version har stämpeln kretsens arkitektur i positiv relief och är doppad i nanopartikelbläcket; kretsen överförs sedan för hand till ett substrat. Också lovande är en negativ stämpel som präglar ett tunt lager av bläck som tidigare avsatts på en plastyta. Frimärkets särdrag trycker undan bläcket vid vissa punkter, och bildar vilken funktion som helst som är ingraverad på stämpeln med upplösningar på 200 nanometer.
Pentium utmaning
Allt detta är en väldigt attraktiv vision. Men kan tryckt elektronik faktiskt konkurrera med mångmiljarddollarfabrikat när det gäller att göra de krävande kretsar som behövs för logik av hög kvalitet? Sigurd Wagner, till exempel, tror inte det. Wagner, som är professor i elektroteknik vid Princeton University, bedriver också forskning om tryckt oorganisk logik, men han ser dess löfte i billig elektronik som kan användas över stora ytor, inte i att ta på sig mikroprocessorer av hög kvalitet.
Hans mål, säger Wagner, är inte att konkurrera med integrerad kretsteknologi; det är att gå in i ett område som traditionella integrerade kretsar inte kan hantera. Attraktiva applikationer inkluderar tapeter som fungerar som en gigantisk bildskärm, elektronik invävd i textilier - till och med elektronisk hud som täcker ett flygplan som kan reagera mekaniskt på förändrade förhållanden.
Jacobson håller med om att den kortsiktiga vinsten kommer i att producera den billiga, flexibla elektroniken som skulle kunna göra sådana applikationer möjliga. Det finns ett stort antal applikationer för otroligt billig engångslogik med låg effekt på plastsubstrat, säger han. Och för närvarande är Jacobsons tryckta kretsar bättre lämpade för dessa användningsområden. Dels är de fortfarande alldeles för långsamma för avancerade logikapplikationer; Även om Jacobsons oorganiska transistorer är en storleksordning snabbare än de tryckta organiska transistorerna som tillverkats av Lucent och andra forskargrupper, är de fortfarande 100 gånger långsammare än de bästa oorganiska transistorerna tillverkade av konventionella tekniker.
Men att göra morgondagens Pentium-liknande chips på en stationär fab förblir glimten i Jacobsons ögon. Det kommer att kräva att hastigheten på den tryckta oorganiska logiken ökar. Det är troligen ett flerårigt forskningsprojekt, säger han, men vi tror att det är genomförbart.
Det är precis den typen av utmaning och enormt ambitiösa projekt som Jacobson uppskattar. Det är den typen av projekt som får dig att tänka om möjligheterna med ett mycket välbekant objekt. Med E Ink ger han en ny twist till en mycket gammal uppfinning - den tryckta sidan. Istället för att kasta ut tidningen vill Jacobson bevara dess dygder samtidigt som den uppdaterar den för informationsåldern. Och nu tänker han om tillverkningen av integrerade kretsar. Om Jacobson kan göra sina visioner om tryckta kretsar praktiska, skulle han kunna ändra innebörden av hårdvara och ersätta halvledarfabriken på flera miljarder dollar med något som inte skiljer sig så mycket från frimärkena som har funnits i tusentals år.
Medan resten av datorindustrin försöker driva ner hårdvarupriserna genom massproduktion av några standardiserade chips, går Jacobson i motsatt riktning och försöker göra varje person till mästare och tillverkare av sin egen logik.