Команда инженеров из Стэнфорда создала базовый компьютер с использованием углеродных нанотрубок, полупроводникового материала, который потенциально может запустить новое поколение электронных устройств, которые работают быстрее и потребляют меньше энергии, чем устройства, сделанные из кремниевых чипов
Этот беспрецедентный подвиг является кульминацией многолетних усилий ученых всего мира по использованию этого многообещающего материала.
Об этом достижении сообщается сегодня в статье на обложке журнала Nature, написанной Максом Шулакером и другими докторантами в области электротехники. Исследованием руководили профессора Стэнфордского университета Субхасиш Митра и Х. С. Филип Вонг.
«Люди говорили о новой эре электроники из углеродных нанотрубок, выходящей за пределы кремния», - сказал Митра, инженер-электрик и ученый-компьютерщик, научный сотрудник факультета инженерии Чемберса. «Но демонстраций полных цифровых систем, использующих эту захватывающую технологию, было мало. Вот доказательство».
Эксперты говорят, что достижение Стэнфорда активизирует усилия по поиску преемников кремниевых чипов, которые вскоре могут столкнуться с физическими ограничениями, которые могут помешать им выпускать более компактные, быстрые и дешевые электронные устройства.
«Углеродные нанотрубки (УНТ) долгое время рассматривались как потенциальные преемники кремниевых транзисторов», - сказал профессор Ян Рабей, мировой эксперт по электронным схемам и системам из Калифорнийского университета в Беркли.
Но до сих пор не было ясно, смогут ли CNT оправдать эти ожидания.
«Нет никаких сомнений в том, что это привлечет внимание исследователей в полупроводниковом сообществе и побудит их изучить, как эта технология может привести к созданию более компактных и энергоэффективных процессоров в следующем десятилетии», - сказал Рабей.
Михаил Роко, старший советник по нанотехнологиям в Национальном научном фонде, назвал стэнфордскую работу «важным научным прорывом».
Макс Шулакер, докторант в области электротехники в Стэнфордском университете, держит пластину, заполненную компьютерами из углеродных нанотрубок (УНТ). Слева от него базовый компьютер CNT, использующий эту технологию, зажат под зондовой платой для ввода и вывода сигналов. (Норберт фон дер Грёбен)
Примерно 15 лет назад углеродные нанотрубки были впервые превращены в транзисторы, двухпозиционные переключатели в основе цифровых электронных систем.
Но огромное количество недостатков в этих углеродных нанотрубках уже давно сводит на нет усилия по созданию сложных схем с использованием УНТ.
Профессор Джованни Де Микели, директор Института электротехники при Федеральной политехнической школе Лозанны в Швейцарии, отметил два ключевых вклада команды Стэнфорда в это всемирное предприятие.
«Во-первых, они внедрили процесс изготовления схем на основе УНТ», - сказал Де Микели. «Во-вторых, они построили простую, но эффективную схему, которая показывает, что вычисления выполнимы с использованием УНТ».
Как сказал Митра: «Речь идет не только о компьютере CNT. Речь идет об изменении направлений, которое показывает, что вы можете построить что-то реальное, используя нанотехнологии, которые выходят за рамки кремния и его кузенов».
Зачем беспокоиться о преемнике кремния?
Такие опасения возникают из-за требований, которые разработчики предъявляют к полупроводникам и их основной рабочей лошадке, тем переключателям включения-выключения, известным как транзисторы.
На протяжении десятилетий прогресс в электронике означал уменьшение размера каждого транзистора, чтобы упаковать больше транзисторов на чипе. Но по мере того, как транзисторы становятся все меньше, они расходуют больше энергии и выделяют больше тепла - и все это при все меньшем и меньшем пространстве, о чем свидетельствует тепло, исходящее от нижней части ноутбука.
Многие исследователи считают, что это явление потери мощности может положить конец закону Мура, названному в честь соучредителя корпорации Intel Гордона Мура, который в 1965 году предсказал, что плотность транзисторов будет удваиваться примерно каждые два года, что приведет к к более мелкой, быстрой и, как оказалось, более дешевой электронике.
Но меньше, быстрее и дешевле означает меньше, быстрее и жарче.
"Рассеивание энергии в системах на основе кремния вызывает серьезную озабоченность", - сказал Ананта Чандракасан, глава отдела электротехники и компьютерных наук в Массачусетском технологическом институте и мировой лидер в области исследований микросхем. Он назвал работу в Стэнфорде «главным ориентиром» в продвижении УНТ к практическому использованию.
УНТ представляют собой длинные цепочки атомов углерода, которые чрезвычайно эффективно проводят и контролируют электричество. Они настолько тонкие - в человеческом волосе могут поместиться тысячи УНТ - что для их выключения требуется очень мало энергии, по словам Вонга, соавтора статьи, и Уилларда Р.и Инес Керр Белл, профессор Стэнфорда.
«Думайте об этом, как о наступлении на садовый шланг», - сказал Вонг. «Чем тоньше шланг, тем проще перекрыть поток».
Теоретически такое сочетание эффективной проводимости и маломощного переключения делает углеродные нанотрубки отличными кандидатами на роль электронных транзисторов.
«УНТ могут повысить производительность, по крайней мере, на порядок выше, чем, по прогнозам, может обеспечить кремний», - сказал Вонг.
Но врожденные недостатки стоят на пути практического использования этого многообещающего материала.
Во-первых, УНТ не обязательно растут аккуратными параллельными линиями, как хотелось бы производителям микросхем.
Со временем исследователи разработали приемы, позволяющие выращивать 99,5% УНТ по прямой линии. Но с миллиардами нанотрубок на чипе даже незначительное смещение трубок может привести к ошибкам, так что эта проблема осталась.
Второй тип несовершенства также поставил в тупик технологию CNT.
В зависимости от того, как растут УНТ, часть этих углеродных нанотрубок может вести себя как металлические провода, которые всегда проводят электричество, а не как полупроводники, которые можно отключить.
Поскольку конечной целью является массовое производство, исследователи должны были найти способы борьбы с несоосными и/или металлическими УНТ без необходимости искать их, как иголки в стоге сена.
«Нам нужен был способ проектирования схем без необходимости искать недостатки или даже знать, где они находятся», - сказал Митра.
Стэнфордская статья описывает двусторонний подход, который авторы называют «конструкцией, невосприимчивой к несовершенствам».
Чтобы исключить проволочные или металлические нанотрубки, команда из Стэнфорда отключила все хорошие УНТ. Затем они накачали полупроводниковую схему электричеством. Все это электричество концентрировалось в металлических нанотрубках, которые нагревались до такой степени, что сгорали и буквально испарялись в крошечные клубы углекислого газа. Эта сложная технология позволила сразу устранить практически все металлические УНТ в цепи.
Обход смещенных нанотрубок требовал еще большей тонкости.
Таким образом, исследователи из Стэнфорда создали мощный алгоритм, который отображает схему схемы, которая гарантированно будет работать независимо от того, где и где могут быть перекошены УНТ.
«Этот «невосприимчивый к несовершенствам дизайн» (метод) делает это открытие поистине образцовым», - сказал Санкар Басу, программный директор Национального научного фонда.
Команда из Стэнфорда использовала этот устойчивый к несовершенствам дизайн для сборки базового компьютера со 178 транзисторами, ограничение наложено тем фактом, что они использовали университетские мощности по производству микросхем, а не промышленный процесс изготовления.
Их компьютер CNT выполнял такие задачи, как подсчет и сортировка чисел. Он запускает базовую операционную систему, которая позволяет ему переключаться между этими процессами. Демонстрируя свой потенциал, исследователи также показали, что компьютер CNT может работать с MIPS, коммерческим набором инструкций, разработанным в начале 1980-х профессором инженерии Стэнфорда, а ныне президентом университета Джоном Хеннесси.
По словам Нареша Шанбхага, профессора Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне и директора SONIC, хотя на это могут уйти годы, Стэнфордский подход указывает на возможность промышленного производства полупроводников из углеродных нанотрубок., консорциум по разработке микросхем нового поколения.
«Документ Вонга/Митры демонстрирует перспективность УНТ в разработке сложных вычислительных систем», - сказал Шанбхаг, добавив, что это «будет мотивировать исследователей в других местах» к более активным усилиям в разработке микросхем за пределами кремния.
«Это первые необходимые шаги для переноса углеродных нанотрубок из химической лаборатории в реальную среду», - сказал Супратик Гуха, директор отдела физических наук Исследовательского центра IBM Томаса Дж. Уотсона и мировой лидер в исследованиях УНТ.
Профессор Жорж Гилен, проректор по науке, технике и технологиям Католического университета в Левене, Бельгия, сказал, что следующее поколение электроники, включая беспроводные сенсорные сети и другие крошечные устройства, задуманные как часть «Интернета вещей, требуются маломощные высокопроизводительные чипы.
«Большой проблемой для массового развертывания таких систем является питание: питание по проводной линии невозможно, батареи часто непрактичны или доступны по цене», - сказал Гилен, добавив: «УНТ - это новая технология, которая предлагает потенциал для значительно, на порядки, сократить энергопотребление электроники по сравнению с сегодняшними передовыми технологиями. Если это произойдет, это станет большим прорывом для всех упомянутых и будущих приложений».