Världens mest avancerade nanorörsdator kan hålla Moores lag vid liv

Närbild av nanorör Glad Frankel

Ett team av akademiker vid MIT har avslöjat världens hittills mest avancerade chip som är gjord av kolnanorör – cylindrar med väggar som är lika breda som en enda kolatom. Den nya mikroprocessorn, som kan köra ett konventionellt program, kan vara en viktig milstolpe på vägen mot att hitta kiselalternativ.

Elektronikindustrin kämpar med en avmattning i Moores lag, som säger att antalet transistorer som kan packas på en kiselprocessor fördubblas ungefär vartannat år. Denna trend står inför sina fysiska gränser: när enheternas storlek krymper till ett fåtal atomer börjar elektrisk ström läcka från metallkanalerna som transporterar den genom transistorer. Värmen som frigörs sänker halvledarnas energieffektivitet - och kan till och med få dem att misslyckas.

Kolnanorör kan vara den perfekta lösningen. Inte bara är nanorörstransistorer snabbare än kiseltransistorer, studier har funnit att chips gjorda av nanorör kan vara upp till tio gånger mer energieffektiva. Denna effektivitetsökning kan avsevärt förlänga batteritiden för elektroniska prylar.

Forskare har arbetat med alternativa chips som involverar molekylerna i decennier, men tillverkningshuvudvärk har hållit processorerna fast i forskningslabb. I ett papper publicerat i Nature, säger MIT-teamet att de har hittat sätt att övervinna några av de största hindren för att producera dem i stor skala.

Blandad

Ett problem är att när kolnanorör tillverkas kommer de i två typer som blandas ihop: den första är halvledare som är perfekta för att skapa integrerade kretsar, men den andra leder elektrisk ström som en tråd, vilket suger mer kraft och kan till och med undergräva en krets prestanda. För att göra chipsen ekonomiskt lönsamma behövs ett kostnadseffektivt sätt att minimera påverkan från den senare gruppen.

Ett annat problem är att för att göra chipsen måste ett enhetligt monolager av kolnanorör deponeras över en wafer. Men detta har visat sig vara svårt att göra eftersom nanorör har en irriterande tendens att hopa sig. En bunt av dem som landar på en transistor kan slå den ur funktion.

Dessa och andra utmaningar fascinerade Max Shulaker, en MIT-professor som har arbetat med andra anmärkningsvärda projekt inom området, och som har fått finansiering från US Defense Advanced Projects Research Agency att utveckla nanorörsteknik .

Gruppen forskare han leder har utvecklat en fungerande 16-bitars mikroprocessor byggd av över 14 000 kolnanorörstransistorer som Shulaker hävdar är den mest komplexa som någonsin demonstrerats. Teknikerna de har kommit fram till kan implementeras med utrustning som används för att tillverka konventionella kiselchips, vilket innebär att chiptillverkare inte behöver investera i dyra ny utrustning om de vill tillverka nanorörsprocessorer.

När de undersökte blandningsproblemet upptäckte forskarna att vissa typer av logiska grindar, som är grundläggande byggstenar i digitala kretsar, var mer motståndskraftiga mot problem som utlöstes av metallliknande nanorör än andra. Det ledde till att de utvecklade en ny kretsdesign som prioriterar dessa grindar, samtidigt som de minimerar användningen av känsligare metalliska.

För att komma till rätta med buntningsproblemet belade de en wafer i en polymer och tvättade sedan försiktigt bort den i etapper. Detta tog bort nanorörsklumparna och lämnade kvar det monolager som behövs för att få chipet att fungera mest effektivt.

Vägen framåt

Chipet som MIT-forskarna producerade med dessa tekniker kan köra ett enkelt program som producerar meddelandet Hello, World. Men om de ska ersätta kiselprocessorer kommer de i kolnanorör i slutändan att behöva miljarder transistorer så att de kan köra avancerad programvara.

IBM, som för några år sedan sa att de hoppades att kolnanorörschips skulle ta över från kiselchips till 2020, arbetar också med projekt som involverar tekniken. Men ansträngningarna har hittills misslyckats med att komma på ett sätt att översätta labbgenombrott till praktisk tillverkning. De nya framstegen gör vägen mot detta tydligare. Det krävs inget trosprång längre, säger Shulaker.

Dölj