Как углеродные нанотрубки могут помочь заменить кремний в изготовлении чипов
Похоже, возраст кремния подходит к концу. Технологический гигант IBM хочет попробовать использовать углеродные нанотрубки в дизайне чипов. Их новые исследования по созданию и управлению этими наноразмерными структурами могут стать ключом к успеху.
Закон Мура Медленная смерть
Закон Мура доказал свою постоянство в полупроводниковой отрасли, обеспечивая надежду на более мощные компьютеры. Закон гласит, что количество транзисторов на кремниевом чипе удваивается каждые 18 месяцев, следовательно, устройства в два раза мощнее (как правило). Если сегодня компьютер медленный, никогда не бойтесь, потому что за горизонтом стоит новый процессор, который может значительно ускорить вычисление.
Ну, закон Мура может, наконец, закончить в 2020 году, что означает, что за горизонтом может быть процессор, который только немного лучше или дешевле. Итак, как современные вычисления будут поддерживать спрос на электроэнергию? // www.agner.org/optimize/ "target =" _ blank "> оптимизация, прежде всего. Ориентированное на объекты программирование отлично подходит для создания программы, но использует большие объемы ресурсов, поэтому программисты могут перейти к использованию сборки для подпрограмм, требующих скорости. Более эффективные алгоритмы также могут помочь в эффективности ЦП, а также освободить ресурсы ЦП для других операций.
Тем временем разработчики аппаратных средств могут посмотреть на реализацию специализированных интегральных схем, чтобы освободить общие задачи, обнаруженные на процессорах, таких как операции с плавающей запятой и шифрование. Другими подходами могут быть увеличение использования нескольких процессоров на материнских платах, так как большинство компьютеров на рынке по-прежнему имеют только один разъем процессора.
Транзисторы могут быть настолько малы
Экзотический подход может включать в себя внедрение квантовых компьютеров для помощи в алгоритмах, включая шифрование и аналитические задачи. Но такие решения все еще разрабатываются и требуют высокотехнологичного научного оборудования, что делает их в значительной степени невозможными в коммерческом смысле.
Другое решение может быть более драматичным взятием вычислительных проблем, разрабатывая компьютеры, такие как мозги, или самостоятельно используя мозги для выполнения вычислительных задач. Независимо от того, как вы на это смотрите, что-то нужно сделать в ближайшее время, чтобы улучшить производительность компьютеров и устранить нашу зависимость от более мощных устройств на основе кремния.
Прочитайте больше
- Компьютеры, предназначенные для того, чтобы имитировать человеческие мозги, могут достичь действительно интеллектуального ИИ
- Световые компьютеры, используемые для поиска решений для сложных уравнений логистики
- Борофен может превзойти графена в приложениях гибкой электроники
Решение Nanoscale для IBM
Углеродные нанотрубки - это не просто научная фантастика, а скорее научный факт. Эти крошечные трубки являются большим соперником в конкурсе «материал для будущего», потому что они очень сильные, очень проводящие и, прежде всего, очень маленькие. Эти структуры толщиной всего в один атом состоят из атомов углерода, ковалентно связанных в трубчатой структуре, которые уже практично используются в приложениях, включая атомно-силовые микроскопы, композитные материалы и даже велосипеды.
Однако их электрические характеристики еще предстоит эксплуатировать, и это то, что IBM имеет в виду для чипов будущего.
Визуализация структур углеродных нанотрубок. Изображение предоставлено Майклом Стёком (CC-BY-SA)
Проблема с углеродными нанотрубками заключается в том, что, хотя отдельные трубки являются фантастическими, они не являются самым легким материалом для манипулирования и превращения в полезные структуры. При создании структур смесь углеродных труб состоит из разной длины труб с различными проводящими свойствами (некоторые металлические и некоторые полупроводниковые). Это не идеально подходит для создания полупроводникового устройства. Поэтому исследователи были вынуждены вручную создавать требуемые структуры.
IBM позже обнаружила, что если правое напряжение было применено к смеси, металлические углеродные нанотрубки сжигались, оставляя за собой полупроводниковые трубки. В то время как полупроводниковые трубки теперь могут быть разделены, все еще существует проблема структурной компоновки. Приобретение нанотрубок вместе было почти невозможно, но исследователи из IBM снова доказали это неправильно, присоединив молибден к концам труб, которые можно использовать для «склеивания» труб вместе. Включение молибдена не влияет на электрическую характеристику нанотрубок, которая жизненно важна для функциональных электронных устройств.
Наноструктуры, сделанные IBM. Изображение предоставлено IBM Research
Последним препятствием, которое было решено IBM, является структурное расположение труб. Силиконовые устройства легко сконструированы (сравнительно) потому, что они изготовлены из плиты из кремния, которая обрабатывается химикатами, подвергается воздействию света, слоируется материалами и нарезается кусочками.
Однако углеродные нанотрубки нельзя манипулировать аналогичным образом с использованием современных технологий производства. Ученые из IBM описывают процесс манипулирования углеродными нанотрубками, как больше похожий на растущие кристаллы, в которых химические вещества используются для изменения конечной структуры.
Почему нанотрубки?
Нанотрубки прочные, легкие и обладают превосходными структурными свойствами. Это важно для любого полупроводникового материала, но одна из самых важных характеристик - их размер.
В настоящее время транзисторы с размерами до 10 нм используются в коммерческих проектах, но ожидается, что коммерческие проекты с размерами менее 7 нм будут невероятными. Хотя размеры транзисторов размером до 1 нм были успешно выполнены, использование таких транзисторов в увеличенном коммерческом дизайне может быть слишком дорогостоящим для производства (для вычислительной мощности, которую они предлагают).
Именно здесь проникают углеродные нанотрубки. Ширина углеродной нанотрубки может быть такой же, как 1 нм, что уже составляет 10- й размер токовых транзисторных характеристик. Кроме того, структуры углеродных нанотрубок являются надежными и прочными, в отличие от кремниевых транзисторов, которые являются производством ударов и промахов.
Именно эти свойства делают углеродные нанотрубки будущим чип-материалом, который может видеть более быстрые процессоры, которые потребляют меньше энергии и рассеивают меньше тепла. Такие процессоры не просто видят использование в домашних условиях для своих возможностей обработки, но также и в больших вычислительных средах, включая центры обработки данных, которые полагаются на устройства, генерирующие как можно меньше тепла.
Углеродные нанотрубки пробились во множество областей. Изображение предоставлено CSIRO (CC BY 3.0)
Резюме
Нанотрубки IBM могут все еще находиться в зачаточном состоянии, но реальное устройство еще не построено, но нет сомнений в том, что углеродные нанотрубки могут быть заменены или использоваться параллельно с кремниевыми устройствами. Несмотря на это, закон Мура, вероятно, подходит к концу, поэтому мы, как инженеры, должны объединиться, чтобы найти решение, которое может продолжить тенденцию к более мощным вычислениям.