De beste computerchips van vandaag beschikken over duizelingwekkende transistorarrays van meer dan 2 1/2 miljard, maar nieuwe technologieën op nanometerniveau houden de belofte in om dat aantal nog meer te verhogen. Nanotransistoren kunnen worden vervaardigd uit materialen variërend van silicium tot koolstofnanobuisjes en zelfs grote moleculen.

Maar hoe garandeer je dat zulke ultrakleine elektronische schakelingen betrouwbaar zullen presteren?

Wenking Rao, University of Illinois in Chicago, assistent-professor in elektrische en computertechniek, zal die vraag onderzoeken met behulp van een vijfjarige, $ 450, 000 National Science Foundation Early Faculty Career-prijs die ze zojuist heeft gewonnen.

De chips van vandaag zijn gebouwd op basis van het apparaat genaamd CMOS -- complementaire metaaloxide halfgeleider -- dat met zeer hoge betrouwbaarheid kan worden vervaardigd. Maar de nanotransistoren van morgen moeten misschien met geheel nieuwe processen worden gemaakt.

"Als je overstapt op een ander mechanisme, er zal verandering zijn, " zei Rao. "Net alsof ik bouwmaterialen overschakelde van baksteen naar glas en staal, je krijgt een ander karakter. Hoewel ik misschien een groter gebouw kan bouwen met lichtere materialen, nieuwe problemen kunnen optreden."

Toekomstige nanotransistoren, ze zei, kunnen onderhevig zijn aan fouten en defecten. Onderzoek kan zelfs uitwijzen dat het niet de moeite waard is om ze te vervaardigen voor conventioneel gebruik, zoals desktopcomputers. Maar op nano-elektronica gebaseerde systemen kunnen nuttig zijn voor geheel nieuwe toepassingsdomeinen, zoals embedded systemen en sensoren. Rao zal dit onderzoeken als onderdeel van haar NSF Career Award, samen met de theoretische limieten, mogelijkheden en toepassingen van nanotransistorchips.

"Als elke transistor zo klein is, je bent onderhevig aan veel defecten en fouten, " ze zei, "dus, hoe ga je daarmee om? We moeten fouten kunnen opsporen en manieren vinden om ze te tolereren, misschien door een ander onderdeel te gebruiken om dezelfde berekening uit te voeren, of - op lange termijn - door zelfreparatie."

Rao zal mogelijke manieren bestuderen om problemen met nanotransistoren het beste te testen en te diagnosticeren en te bepalen of en hoe redundante systemen kunnen fungeren als beveiliging tegen fouten.

"Je moet een omweg hebben, ' zei ze. 'Een chip voor een sensor, bijvoorbeeld, kunnen onderhevig zijn aan omgevingsvariaties zoals achtergrondgeluid, kosmische straling en omgevingstrillingen. Je zou ook veel fouten verwachten tijdens berekeningen."

Rao zei dat computeringenieurs veel verstrekkende vragen stellen over elektronische nanosystemen in een poging om ontwerp- en fabricageregels op te stellen die ervoor zullen zorgen dat nieuwe producten die ze gebruiken betrouwbaar zullen zijn.

"We proberen echt te onderzoeken waar de grens ligt. Wat kan en kan niet? We kijken naar wat we kunnen doen vanuit een technisch perspectief naar wat mogelijk is, wat niet, en wat te duur is."

Rao's beurs zal ook deels worden gebruikt om promovendi te ondersteunen bij haar onderzoek, en om nieuwe cursussen over het onderwerp te ontwikkelen op zowel de niet-gegradueerde als de afgestudeerde niveaus.