Der erste Computerprozessor aus Kunststoff

Silizium mag das Fundament der uns umgebenden Computer sein, aber die starre Starrheit des Halbleiters macht es nicht überall möglich. Die ersten Computerprozessor- und Speicherchips aus Kunststoff-Halbleitern lassen vermuten, dass Computerleistung eines Tages nirgendwo unerreichbar sein wird.



Plastikkraft: Dieser Mikroprozessor besteht aus organischen Materialien. Er ist im Vergleich zu den meisten Siliziumprozessoren mickrig, aber flexibel und günstig.

Forscher in Europa verwendeten 4.000 Plastik- oder organische Transistoren, um den Plastik-Mikroprozessor herzustellen, der ungefähr zwei Quadratzentimeter misst und auf einer flexiblen Plastikfolie aufgebaut ist. Dies hat gegenüber der Verwendung von Silizium den Vorteil des geringeren Preises und der Flexibilität, sagt Jan Genoe von der IMEC Nanotechnologiezentrum in Löwen, Belgien. Genoe und IMEC Kollegen arbeiteten mit Forschern an der TNO-Forschungsorganisation und Display-Unternehmen Polymervision , beide in den Niederlanden.





Der Prozessor kann bisher nur ein einfaches Programm mit 16 Befehlen ausführen. Die Befehle sind in einer zweiten Folie festcodiert, die mit Plastikschaltkreisen geätzt ist, die an den Prozessor angeschlossen werden können, um das Programm zu laden. Auf diese Weise kann der Prozessor einen laufenden Durchschnitt eines eingehenden Signals berechnen, etwas, das ein Chip, der das Signal eines Sensors verarbeitet, tun könnte, sagt Genoe. Der Chip läuft mit einer Geschwindigkeit von sechs Hertz – in der Größenordnung von einer Million Mal langsamer als ein moderner Desktop-Computer – und kann Informationen nur in höchstens 8-Bit-Blöcken verarbeiten, im Vergleich zu 128 Bit für moderne Computerprozessoren.

Organische Transistoren wurden bereits in bestimmten LED-Anzeigen und RFID-Tags verwendet, wurden jedoch nicht verwendet, um irgendeinen Prozessor herzustellen. Der Mikroprozessor wurde auf der ISSCC-Konferenz letzten Monat in San Jose, Kalifornien.

Die Herstellung des Prozessors beginnt mit einer 25 Mikrometer dicken Folie aus flexiblem Kunststoff, mit der Sie Ihr Mittagessen einpacken könnten, sagt Genoe. Darauf wird eine Schicht Goldelektroden aufgebracht, gefolgt von einer Isolierschicht aus Kunststoff, einer weiteren Schicht aus Goldelektroden und den Kunststoffhalbleitern, aus denen die 4.000 Transistoren des Prozessors bestehen. Diese Transistoren wurden hergestellt, indem die Plastikfolie gedreht wurde, um einen Tropfen organischer Flüssigkeit in einer dünnen, gleichmäßigen Schicht zu verteilen. Wenn die Folie leicht erhitzt wird, wandelt sich die Flüssigkeit in festes Pentacen um, einen häufig verwendeten organischen Halbleiter. Die verschiedenen Schichten wurden dann unter Verwendung von Photolithographie geätzt, um das endgültige Muster für Transistoren herzustellen.



Künftig könnten solche Prozessoren billiger hergestellt werden, indem die organischen Komponenten wie Tinte gedruckt werden, sagt Genoe. Es gebe Forschungsgruppen, die am Rolle-zu-Rolle- oder Bogen-zu-Blatt-Druck arbeiten, sagt er, aber es seien noch einige Fortschritte nötig, um organische Transistoren in kleinen Größen herzustellen, die nicht wackeln, also physikalisch unregelmäßig sind. Die bisher besten Druckverfahren im Labormaßstab können nur zuverlässige Transistoren im Bereich von mehreren zehn Mikrometern liefern, sagt er.

Einen Prozessor aus Kunststofftransistoren zu entwickeln war eine Herausforderung, denn im Gegensatz zu denen aus geordneten Siliziumkristallen kann man nicht jedem vertrauen, dass er sich wie jeder andere verhält. Kunststofftransistoren verhalten sich jeweils etwas anders, da sie aus durcheinandergebrachten, amorphen Ansammlungen von Pentacenkristallen bestehen. Du wirst keine zwei haben, die gleich sind, sagt Geneo. Wir mussten diese Variabilität untersuchen und simulieren, um ein Design mit der höchsten Wahrscheinlichkeit für ein korrektes Verhalten zu erarbeiten.

Das Team war erfolgreich, aber das bedeutet nicht, dass die Voraussetzungen dafür geschaffen sind, dass Kunststoffprozessoren die Siliziumprozessoren in Consumer-Computern verdrängen. Organische Materialien begrenzen die Arbeitsgeschwindigkeit grundsätzlich, erklärt Genoe. Er erwartet, dass Kunststoffverarbeiter an Orten auftauchen, an denen Silizium durch seine Kosten oder physische Inflexibilität versperrt ist. Die geringeren Kosten der verwendeten organischen Materialien im Vergleich zu herkömmlichem Silizium sollen den Kunststoffansatz etwa zehnmal günstiger machen.

Sie können sich einen organischen Gassensor vorstellen, der um ein Gasrohr gewickelt ist, um Lecks mit einem flexiblen Mikroprozessor zu melden, um das verrauschte Signal zu beseitigen, sagt er. Plastikelektronik könnte es auch ermöglichen, interaktive Einwegdisplays in Verpackungen, beispielsweise für Lebensmittel, einzubauen, sagt Genoe. Sie könnten einen Knopf drücken, damit die Kalorien in den Keksen, die Sie gegessen haben, addiert werden, sagt er.



Aber solche Anwendungen erfordern mehr als nur Kunststoffverarbeiter, sagt Wei Zhang, der an der University of Minnesota im Bereich organische Elektronik arbeitet. Auf derselben Konferenz, auf der der organische Prozessor vorgestellt wurde, stellten Zhang und Kollegen den ersten gedruckten organischen Speicher eines als DRAM bekannten Typs vor, der neben dem Prozessor in den meisten Computern für die kurzfristige Datenspeicherung arbeitet. Das 24-Millimeter-Quadrat-Speicherarray wurde durch den Aufbau mehrerer Schichten organischer Tinte hergestellt, die wie ein Aerosol aus einer Düse gespritzt wurde. Es kann 64 Bit an Informationen speichern.

größtes radioteleskop der welt

Früher gedruckter Speicher war nichtflüchtig, d. h. er speichert Daten, auch wenn der Strom ausgeschaltet ist, und ist nicht für die kurzfristige Speicherung mit häufigem Schreiben, Lesen und Neuschreiben geeignet, sagt Zhang. Die Minnesota-Gruppe konnte DRAM drucken, weil sie eine Form eines gedruckten, organischen Transistors entwickelte, der ein ionenreiches Gel für das Isoliermaterial verwendet, das die Elektroden trennt.

Die Ionen im Inneren ermöglichen es der Gelschicht, mehr Ladung zu speichern als ein herkömmlicher, ionenfreier Isolator. Das adressiert zwei Probleme, die die Entwicklung des organischen Gedächtnisses eingeschränkt haben. Die Ladungsspeicherfähigkeit des Gels reduziert die Leistung, die zum Betreiben des Transistors und des daraus aufgebauten Speichers benötigt wird; es ermöglicht auch, dass die Ladungsniveaus, die verwendet werden, um 1 und 0 im Speicher darzustellen, sehr unterschiedlich sind und bis zu einer Minute anhalten, ohne dass der Speicher aufgefrischt werden muss.

Organisches, gedrucktes DRAM könnte für die kurzfristige Speicherung von Einzelbildern in Displays verwendet werden, die heute mit gedruckten organischen LEDs hergestellt werden, sagt Zhang. Dies würde es ermöglichen, mehr Geräte mit Druckverfahren herzustellen und einige Siliziumkomponenten zu eliminieren, was die Kosten senkt.

Eine Möglichkeit zu finden, organische Mikroprozessoren und Speicher zu kombinieren, könnte die Preise weiter senken, obwohl Zhang sagt, dass die beiden noch nicht bereit für eine Verbindung sind. Diese Bemühungen sind neue Techniken, daher können wir nicht garantieren, dass sie gebaut werden und zusammenarbeiten, sagt Zhang. Aber in Zukunft wäre es sinnvoll.

verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Alumni-Briefe

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen