Koolstofnanobuisjes vormen een belangrijke afwijking van traditionele siliciumtechnologieën en bieden een veelbelovende weg naar het oplossen van de uitdaging van energie-efficiëntie in computercircuits, maar ze zijn niet zonder uitdagingen. Nutsvoorzieningen, ingenieurs van Stanford hebben manieren gevonden om de uitdagingen te omzeilen om de eerste full-wafer digitale logische structuren te produceren op basis van koolstofnanobuisjes.

Energie-efficiëntie is de grootste uitdaging die een voortgaande miniaturisering van elektronische systemen in de weg staat, en miniaturisatie is de belangrijkste motor van de halfgeleiderindustrie. "Terwijl we de uiterste grenzen van de wet van Moore naderen, echter, silicium zal moeten worden vervangen om verder te miniaturiseren, " zei Jeffrey Bokor, adjunct-directeur voor wetenschap bij de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory en professor aan UC-Berkeley.

Hiertoe, koolstofnanobuisjes (CNT's) zijn een belangrijke afwijking van traditionele siliciumtechnologieën en een veelbelovende weg om de uitdaging van energie-efficiëntie op te lossen. CNT's zijn cilindrische nanostructuren van koolstof met uitzonderlijke elektrische, thermische en mechanische eigenschappen. Nanobuiscircuits kunnen een tienvoudige verbetering van de energie-efficiëntie opleveren ten opzichte van silicium.

Het werk van het Stanford-team was onlangs te zien als een uitgenodigde paper op de prestigieuze International Electron Devices Meeting (IEDM) en als een "keynote paper" in de hoog aangeschreven IEEE-transacties over computerondersteund ontwerp van geïntegreerde schakelingen en systemen .

Vroege belofte

Toen in 1998 de eerste rudimentaire nanobuistransistors werden gedemonstreerd, onderzoekers stelden zich een nieuw tijdperk voor van zeer efficiënte, geavanceerde computerelektronica. Die belofte, echter, moet nog worden gerealiseerd vanwege substantiële materiële onvolkomenheden die inherent zijn aan nanobuisjes, waardoor ingenieurs zich afvroegen of CNT's ooit levensvatbaar zouden blijken te zijn.

De afgelopen jaren, een team van technische professoren van Stanford, doctoraatsstudenten, studenten, en middelbare scholieren, onder leiding van professoren Subhasish Mitra en H.-S. Filip Wong, ging de uitdaging aan en heeft een reeks doorbraken geproduceerd die de meest geavanceerde computer- en opslagelementen vertegenwoordigen die tot nu toe zijn gemaakt met behulp van CNT's.

"De eerste CNT's maakten indruk op de onderzoeksgemeenschap met hun uitzonderlijke elektrische, thermische en mechanische eigenschappen meer dan tien jaar geleden, maar dit recente werk aan Stanford heeft de eerste glimp opgeleverd van hun levensvatbaarheid als aanvulling op silicium CMOS-transistoren, " zei Larry Pileggi, Tanoto Professor of Electrical and Computer Engineering aan de Carnegie Mellon University en directeur van het Focus Center Research Program Center for Circuit and System Solutions.

Grote barrières

Hoewel er in de loop der jaren aanzienlijke prestaties zijn geleverd in CNT-circuits, ze zijn meestal op het niveau van een enkele nanobuis gekomen. Er zijn nog ten minste twee belangrijke barrières voordat CNT's kunnen worden gebruikt in technologieën met praktische impact:ten eerste, "perfecte" uitlijning van nanobuisjes is zo goed als onmogelijk gebleken, het introduceren van schadelijke verdwaalde geleidende paden en defecte functionaliteit in de circuits; tweede, de aanwezigheid van metalen CNT's (in tegenstelling tot meer wenselijke halfgeleidende CNT's) in de circuits leidt tot kortsluitingen, overmatige stroomlekkage en gevoeligheid voor ruis. Geen enkele CNT-synthesetechniek heeft tot nu toe uitsluitend halfgeleidende nanobuisjes geproduceerd.

"Koolstof nanobuistransistors zijn om vele redenen aantrekkelijk als basis voor dichte, energie-efficiënte geïntegreerde schakelingen in de toekomst. Maar, voortgekomen uit de chemie, ze komen met unieke uitdagingen wanneer we ze voor het eerst proberen aan te passen in micro-elektronica. De belangrijkste daarvan is de variabiliteit in hun plaatsing en hun elektrische eigenschappen. Het Stanford-werk, dat kijkt naar het ontwerpen van circuits rekening houdend met dergelijke variabiliteit, is daarom een ​​uiterst belangrijke stap in de goede richting, "Supratik Guha, Directeur van de afdeling Exacte Wetenschappen van het IBM Thomas J. Watson Research Center.

"Dit is zeer interessant en creatief werk. Hoewel er veel moeilijke uitdagingen in het verschiet liggen, het werk van Wong en Mitra maakt goede vorderingen bij het oplossen van een aantal van deze uitdagingen, ", voegde Bokor eraan toe.

Beseffend dat betere processen alleen deze onvolkomenheden nooit zullen overwinnen, de Stanford-ingenieurs slaagden erin om de barrières te omzeilen met behulp van een uniek imperfectie-immuun ontwerpparadigma om de allereerste digitale logische structuren op volledige waferschaal te produceren die niet worden beïnvloed door verkeerd uitgelijnde en verkeerd gepositioneerde CNT's. Aanvullend, ze gingen de uitdagingen van metalen CNT's aan met de uitvinding van een techniek om deze ongewenste elementen uit hun circuits te verwijderen.

Opvallende kenmerken

De ontwerpbenadering van Stanford heeft twee opvallende kenmerken doordat het vrijwel niets van de energie-efficiëntie van CNT's opoffert en het is ook compatibel met bestaande fabricagemethoden en infrastructuur, de technologie een belangrijke stap in de richting van commercialisering duwen.

"Dit transformatieve onderzoek wordt des te veelbelovender gemaakt door het feit dat het kan samengaan met de huidige reguliere siliciumtechnologieën, and leverage today's manufacturing and system design infrastructure, providing the critical feature of economic viability, " said Betsy Weitzman of the Focus Center Research Program at the Semiconductor Research Corporation

The engineers next demonstrated the possibilities of their techniques by creating the essential components of digital integrated systems:arithmetic circuits and sequential storage, as well as the first monolithic three-dimensional integrated circuits with extreme levels of integration.

"Many researchers assumed that the way to live with imperfections in CNT manufacturing was through expensive fault-tolerance techniques. Through clever insights, Mitra and Wong have shown otherwise. Their inexpensive and practical methods can significantly improve CNT circuit robustness, and go a long way toward making CNT circuits viable, " said Sachin S. Sapatnekar, Editor-in-Chief, IEEE Transactions on CAD . "I anticipate high reader interest in the paper, " Sapatnekar noted.