Een team van Stanford-ingenieurs heeft een basiscomputer gebouwd met koolstofnanobuisjes, een halfgeleidermateriaal dat het potentieel heeft om een ​​nieuwe generatie elektronische apparaten te lanceren die sneller werken, terwijl u minder energie verbruikt, dan die gemaakt van siliciumchips.

Deze ongekende prestatie culmineert in jarenlange inspanningen van wetenschappers over de hele wereld om dit veelbelovende materiaal te benutten.

De prestatie wordt vandaag gerapporteerd in een artikel op de cover van Natuur tijdschrift geschreven door Max Shulaker en andere promovendi in elektrotechniek. Het onderzoek werd geleid door Stanford-hoogleraren Subhasish Mitra en H.S. Filip Wong.

"Mensen hebben het gehad over een nieuw tijdperk van koolstofnanobuiselektronica dat verder gaat dan silicium, " zei Mitra, een elektrotechnisch ingenieur en informaticus, en de Chambers Faculty Scholar of Engineering. "Maar er zijn maar weinig demonstraties geweest van complete digitale systemen die deze opwindende technologie gebruiken. Hier is het bewijs."

Experts zeggen dat de prestatie van Stanford de inspanningen zal stimuleren om opvolgers voor siliciumchips te vinden. die binnenkort fysieke limieten zouden kunnen tegenkomen die zouden kunnen voorkomen dat ze kleinere, sneller, goedkopere elektronische apparaten.

"Koolstofnanobuizen (CNT's) worden al lang beschouwd als een mogelijke opvolger van de siliciumtransistor, " zei professor Jan Rabaey, een wereldexpert op het gebied van elektronische schakelingen en systemen aan UC Berkeley.

Maar tot nu toe was het niet duidelijk dat CNT's aan die verwachtingen konden voldoen.

"Het lijdt geen twijfel dat dit de aandacht zal trekken van onderzoekers in de halfgeleidergemeenschap en hen zal verleiden om te onderzoeken hoe deze technologie kan leiden tot kleinere, meer energie-efficiënte processors in de komende tien jaar, ' zei Rabaey.

Mihail Roco, senior adviseur voor Nanotechnologie bij de National Science Foundation, noemde het werk van Stanford "een belangrijk, wetenschappelijke doorbraak."

Het was ongeveer 15 jaar geleden dat koolstofnanobuisjes voor het eerst werden gevormd tot transistors, de aan-uit-schakelaars in het hart van digitale elektronische systemen.

Maar een bedrieglijke reeks onvolkomenheden in deze koolstofnanobuisjes heeft lang gefrustreerd pogingen om complexe circuits te bouwen met behulp van CNT's. Professor Giovanni de Micheli, directeur van het Instituut voor Elektrotechniek aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland, benadrukte twee belangrijke bijdragen die het Stanford-team heeft geleverd aan deze wereldwijde inspanning.

"Eerst, ze hebben een proces ingevoerd voor het fabriceren van op CNT gebaseerde circuits, ' zei De Micheli. 'Ten tweede, ze bouwden een eenvoudig maar effectief circuit dat aantoont dat berekening mogelijk is met behulp van CNT's."

Zoals Mitra zei:"Het gaat niet alleen om de CNT-computer. Het gaat om een ​​verandering van richting die laat zien dat je iets echts kunt bouwen met behulp van nanotechnologieën die verder gaan dan silicium en zijn neven."

Waarom zorgen maken over een opvolger van silicium? Dergelijke zorgen komen voort uit de eisen die ontwerpers stellen aan halfgeleiders en hun fundamentele werkpaard, die aan-uit schakelaars die bekend staan ​​als transistoren.

Al decenia, vooruitgang in de elektronica heeft ertoe geleid dat de grootte van elke transistor is verkleind om meer transistors op een chip te plaatsen. Maar naarmate transistors kleiner worden, verspillen ze meer stroom en genereren ze meer warmte - en dat alles in een steeds kleinere ruimte, zoals blijkt uit de warmte die uit de onderkant van een laptop komt.

Veel onderzoekers geloven dat dit stroomverslindende fenomeen het einde zou kunnen betekenen van de wet van Moore, genoemd naar Intel Corp. mede-oprichter Gordon Moore, die in 1965 voorspelde dat de dichtheid van transistors ongeveer elke twee jaar zou verdubbelen, leidt tot kleinere, sneller en, zo bleek, goedkopere elektronica.

Maar kleiner, sneller en goedkoper betekent ook kleiner, sneller en warmer.

"Energiedissipatie van op silicium gebaseerde systemen is een grote zorg geweest, " zei Anantha Chandrakasan, hoofd van elektrotechniek en informatica aan het MIT en een wereldleider in chiponderzoek. Hij noemde het Stanford-werk "een belangrijke maatstaf" bij het verplaatsen van CNT's naar praktisch gebruik. CNT's zijn lange ketens van koolstofatomen die uiterst efficiënt zijn in het geleiden en beheersen van elektriciteit. Ze zijn zo dun - duizenden CNT's kunnen naast elkaar in een mensenhaar passen - dat het heel weinig energie kost om ze uit te schakelen, volgens Wong, co-auteur van het artikel en de Williard R. en Inez Kerr Bell Professor aan Stanford.

"Zie het als op een tuinslang stappen, " zei Wong. "Hoe dunner de slang, hoe gemakkelijker het is om de stroom af te sluiten." In theorie deze combinatie van efficiënte geleidbaarheid en laagvermogenschakeling maakt koolstofnanobuisjes uitstekende kandidaten om als elektronische transistors te dienen.

"CNT's kunnen ons op zijn minst een orde van grootte in prestaties brengen die verder gaan dan waar je kunt projecteren dat silicium ons zou kunnen brengen, " zei Wong. Maar inherente onvolkomenheden hebben de praktische toepassing van dit veelbelovende materiaal in de weg gestaan.

Eerst, CNT's groeien niet noodzakelijk in nette parallelle lijnen, zoals chipmakers zouden willen.

Overuren, onderzoekers hebben trucs bedacht om 99,5 procent van de CNT's in rechte lijnen te laten groeien. Maar met miljarden nanobuisjes op een chip, zelfs een kleine mate van verkeerd uitgelijnde buizen kan fouten veroorzaken, dus dat probleem bleef.

Een tweede type imperfectie heeft ook de CNT-technologie belemmerd.

Afhankelijk van hoe de CNT's groeien, een fractie van deze koolstofnanobuisjes kan zich gedragen als metalen draden die altijd elektriciteit geleiden, in plaats van zich te gedragen als halfgeleiders die kunnen worden uitgeschakeld.

Aangezien massaproductie het uiteindelijke doel is, onderzoekers moesten manieren vinden om met verkeerd uitgelijnde en/of metalen CNT's om te gaan zonder dat ze ernaar moesten jagen als naalden in een hooiberg.

"We hadden een manier nodig om circuits te ontwerpen zonder te hoeven zoeken naar onvolkomenheden of zelfs maar te weten waar ze waren, " Zei Mitra. De Stanford-paper beschrijft een tweeledige benadering die de auteurs een 'imperfectie-immuun ontwerp' noemen.

Om de draadachtige of metalen nanobuisjes te elimineren, het Stanford-team schakelde alle goede CNT's uit. Daarna pompten ze het halfgeleidercircuit vol met elektriciteit. Al die elektriciteit concentreerde zich in de metalen nanobuisjes, die zo heet werden dat ze verbrandden en letterlijk verdampten tot kleine wolkjes kooldioxide. Deze geavanceerde techniek was in staat om vrijwel alle metalen CNT's in het circuit in één keer te elimineren.

Het omzeilen van de verkeerd uitgelijnde nanobuisjes vereiste nog meer subtiliteit.

Dus creëerden de Stanford-onderzoekers een krachtig algoritme dat een circuitlay-out in kaart brengt die gegarandeerd werkt, ongeacht of en waar CNT's scheef staan.

"Dit 'onvolkomenheden-immuun ontwerp' (techniek) maakt deze ontdekking echt exemplarisch, " zei Sankar Basu, een programmadirecteur bij de National Science Foundation.

Het Stanford-team gebruikte dit imperfectie-immune ontwerp om een ​​basiscomputer met 178 transistors samen te stellen, een limiet opgelegd door het feit dat ze gebruik maakten van de faciliteiten voor het maken van chips van de universiteit in plaats van een industrieel fabricageproces.

Hun CNT-computer voerde taken uit zoals tellen en nummersortering. Het voert een basisbesturingssysteem uit waarmee het tussen deze processen kan wisselen. In een demonstratie van zijn potentieel, de onderzoekers toonden ook aan dat de CNT-computer MIPS kon draaien, een commerciële instructieset die in het begin van de jaren tachtig werd ontwikkeld door de toenmalige Stanford-ingenieursprofessor en nu universiteitspresident John Hennessy.

Hoewel het jaren kan duren om volwassen te worden, de Stanford-benadering wijst op de mogelijkheid van productie op industriële schaal van koolstofnanobuisjes halfgeleiders, volgens Naresh Shanbhag, een professor aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en directeur van SONIC, een consortium van onderzoek naar chipontwerp van de volgende generatie.

"De Wong/Mitra-paper demonstreert de belofte van CNT's bij het ontwerpen van complexe computersystemen, "Shanbhag zei, eraan toevoegend dat dit "onderzoekers elders zal motiveren" tot grotere inspanningen op het gebied van chipontwerp dan silicium.

"Dit zijn de eerste noodzakelijke stappen om koolstofnanobuisjes van het scheikundelab naar een echte omgeving te brengen, " zei Supratik Guha, directeur natuurwetenschappen voor IBM's Thomas J. Watson Research Center en een wereldleider in CNT-onderzoek.