Drucken Sie Ihren nächsten PC

Wie Joseph Jacobson gerne betont, ist trotz aller Leistungssteigerungen von Halbleiterchips in den letzten Jahrzehnten ein typischer integrierter Schaltkreis – das Gehirn hinter Ihrem Computer – für die meisten Menschen auf der Welt immer noch viel zu teuer. Schauen Sie sich an, wie [ein Chip] hergestellt wird, sagt er und schlägt mit einer Hand in die Luft, während er mit der anderen eine PowerPoint-Präsentation leitet. Die Herstellung eines hochwertigen Logikchips wie Intels Pentium-Prozessor, betont er, dauert zwei Wochen, sieben Tage die Woche, 24 Stunden am Tag. Chip-Fertigungsanlagen wie die von Intel sind ein 1,6-Milliarden-Dollar-Werkzeug. Und es gibt nur sehr wenige Menschen auf der Welt, die dieses Werkzeug anfassen können.

Jacobsons Lösung: eine Desktop-Fabrik, die Schaltungen direkt auf ein Substrat wie Kunststoff drucken kann, ohne die Kosten und den Aufwand einer milliardenschweren Produktionsanlage. Jacobson, Leiter der Printed PC Group im Media Lab des MIT, hat es bereits geschafft, rudimentäre, aber funktionierende Transistoren mit einer Tinte aus nanometergroßen Halbleiterpartikeln zu drucken. Unser Ziel ist es, der Entwicklung von Silizium zu folgen und Prozessoren mit vielleicht mehreren hundert Transistoren zu drucken, bis hin zu Tausenden und noch mehr, sagt Jacobson. Wir sollten in den nächsten 12 bis 18 Monaten einen sehr einfachen Prozessor vorführen können. Und er prognostiziert, dass gedruckte Logikchips mit der Geschwindigkeit und Leistung eines Pentiums irgendwann möglich sein könnten, wodurch Mikrochips für einen Bruchteil des Zeit- und Kostenaufwands verfügbar gemacht werden, der mit einer herkömmlichen Herstellung verbunden ist.

Wenn Jacobsons Vision Wirklichkeit wird, könnte sie alles in der Computerhardware verändern. Gedruckte Elektronik könnte billig genug sein, um ihren Weg in alles zu finden, von Tapeten, die veränderbare Bilder anzeigen können, bis hin zu kundenspezifischen Logikschaltungen. Eine Chipfabrik auf jedem Desktop könnte den Tag herbeiführen, an dem Einzelpersonen die Architektur integrierter Schaltkreise so herunterladen, wie sie heute Software herunterladen. Kurz gesagt, es könnte die Hardware-Herstellung so verändern, wie die Open-Source-Bewegung die Art und Weise verändert hat, wie Software geschrieben wird. In seiner visionärsten Form behauptet Jacobson, dass gedruckte Logik zu einer Open-Source-Hardwarebewegung führen könnte, bei der Chips über das Internet kundenspezifisch entworfen und vom Verbraucher in etwa der gleichen Zeit gedruckt werden, in der eine Webseite gedruckt wird. Sie könnten, sagt Jacobson, das Chip-Design aus dem Web herunterladen, einige Modifikationen von einem Typen in Indien einbinden, und das Gerät boomt.



Es ist Mittag in Jacobsons Labor, einem fensterlosen Raum mit bunten Kabeln, die von Wänden und Decke baumeln, und einer Reihe von chemischen Abzugshauben an einer Wand. Jacobsons Enthusiasmus ist ansteckend, und das enge Labor ist offensichtlich der Ort, an dem er und seine Handvoll Schüler die meiste Zeit verbringen, selbst wenn sie essen. Was uns interessiert, ist, mir ein Stück Plastik zu geben, und in wenigen Sekunden gebe ich Ihnen einen Pentium zurück“, sagt er zwischen den Bissen. Ich meine das ernst. Nicht langsamer als ein Pentium; nicht von einem Pentium zu unterscheiden.

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Von fast jedem anderen kommend, wäre eine solche Behauptung schwer zu schlucken. Aber der 35-jährige außerordentliche Professor hat die Referenzen, um die Ware zu liefern. Als Jacobson 1996 zum Media Lab kam, klangen seine unmittelbaren Ambitionen schließlich fast genauso abwegig. Ich wollte ein Display [Bildschirm] haben, das gedruckt werden kann, erinnert sich Jacobson. Ich wollte etwas, das unglaublich günstig ist, etwas, das wie Tinte auf Papier aussieht. Etwas, mit anderen Worten, wie elektronisches Papier.

Seine Lösung war ein Forschungsriff, das in den 1970er Jahren im Xerox Palo Alto Research Center (PARC) durchgeführt wurde, wo Forscher mikroskopisch kleine Kugeln geschaffen hatten, die oben schwarz und unten weiß waren. Eine elektrische Ladung bestimmt, welche Seite der Kugeln nach oben rotiert. Mit etwas geschickter Verkabelung könnten die Kugeln Buchstaben und Wörter bilden. Jacobson und eine Handvoll MIT-Studenten haben die Idee in neue Richtungen getrieben. Anstatt zweifarbige Kugeln herzustellen, stellten sie Millionen winziger Mikrokapseln her, die jeweils eine flüssige Mischung aus Öl, dunklem Farbstoff und winzigen weißen Pigmentsplittern enthielten. Dann schichteten sie das Material auf flexiblen Kunststoff und klemmten es oben und unten zwischen transparente Elektroden. Abhängig von der aufgebrachten Ladung wandern die weißen Scherben zum oberen oder unteren Rand der Kugel, und wenn sie gemeinsam aktiviert werden, können die Elektroden die Tinte in erkennbare Muster zwingen.

Der Rest ist der Stoff von Venture-Startup-Legenden. E Ink wurde 1997 mit mehreren von Jacobsons Studenten an der Spitze gegründet und hat seitdem fast 55 Millionen US-Dollar an privater Finanzierung aufgebracht und Geschäfte wie Motorola und Hearst Publishing abgeschlossen. Medien und Experten haben die Technologie als das Ende des Papiers, wie wir es kennen, proklamiert. Aber was in all der Aufregung um elektronisches Papier untergegangen ist, ist, dass Sie immer noch Elektronik benötigen, um die Pixel (die Tinte) der Displays anzusteuern. Die bisher von E Ink gebauten Prototypen setzen weiterhin auf traditionelle (sprich: nicht billige) Siliziumchips zur Ansteuerung des Displays. Um die Vorteile der Technologie voll ausschöpfen zu können, benötigen Sie kostengünstige, flexible elektronische Schaltungen. E Ink ist kürzlich eine Partnerschaft mit Lucent Technologies eingegangen, deren Forscher an Möglichkeiten zum Drucken organischer Transistoren auf flexible Kunststoffsubstrate gearbeitet haben. (Die beiden Unternehmen hoffen, diesen Herbst einen funktionierenden Prototyp der Technologie vorstellen zu können.)

Jacobson hat jedoch noch größere Ambitionen. Er möchte nicht nur die relativ einfache elektronische Schaltung drucken, die zur Steuerung eines Bildschirms erforderlich ist, sondern er möchte den nächsten Schritt gehen und einen Weg finden, mit ähnlichen Druckverfahren hochwertige Logik in der Größenordnung eines Pentiums herzustellen. Sie könnten nicht nur Ihren Bildschirm drucken; Sie könnten gewissermaßen den PC selbst drucken – oder zumindest seine wesentlichen Schaltkreise.

Anorganische Lösung

Menschen, die die Zukunft sehen

Einen Chip mit herkömmlichen Mitteln so leistungsfähig wie einen Pentium zu machen, ist keine leichte Aufgabe. Während Halbleiterhersteller wie Intel in den letzten Jahrzehnten gelernt haben, Transistoren immer kleiner zu machen, und dadurch viel mehr Leistung in die Mikroprozessoren gepresst, hat sich die grundlegende Mechanik der Chipherstellung nicht viel geändert. Das Grundmaterial bleibt Silizium, in dünne Scheiben geschnitten. Oben auf dem Wafer befindet sich eine Isolierschicht aus Siliziumdioxid; Auf dem Siliziumdioxid wird eine dünne Fotolackschicht (ein lichtempfindliches Material) abgeschieden. Lichtstrahlen projizieren das Muster der Schaltung durch eine Schablone auf den Fotolack; das Muster wird dann durch Säuren oder reaktive Gase herausgeätzt. Zusätzliche Siliziumschichten werden hinzugefügt, Dotierstoffe wie Bor oder Arsen werden untergemischt und schließlich werden die Transistoren mit winzigen Aluminiumdrähten verbunden.

Die daraus resultierenden Mikrochips sind ein Wunderwerk der Technik und maßgeblich dafür verantwortlich, die Informationsrevolution voranzutreiben. Mithilfe von milliardenschweren Produktionsanlagen können Intel und andere jetzt Transistoren mit einer Größe von nur wenigen hundert Nanometern herstellen (ein Nanometer ist ein milliardstel Meter) und Dutzende von Millionen davon auf einem einzigen Chip packen. Der Nachteil ist, dass die mehreren hundert Herstellungsschritte mehr als zwei Wochen dauern und Reinräume erfordern, die hundert- oder tausendmal sauberer sind als in einem durchschnittlichen Labor.

Im vergangenen Herbst beschrieben Jacobson und sein Schüler Brent Ridley in der Zeitschrift Science die ersten gedruckten anorganischen Transistoren. Mehrere andere Forschungsgruppen, vor allem an den Bell Labs von Lucent und der Universität Cambridge in Großbritannien, haben ebenfalls gedruckte Transistoren. Diese Gruppen verwenden jedoch organische Polymere; Solche Materialien könnten in der Elektronik, die für die Herstellung billiger, flexibler Displays erforderlich ist, viel versprechend sein. Aber organische Transistoren scheinen in ihrer Rechengeschwindigkeit von Natur aus begrenzt zu sein. Jacobsons großer Durchbruch besteht darin, dass er und seine Kollegen im Media Lab flüssige Suspensionen anorganischer Halbleiter – der gleichen Klasse von Materialien, die in Ihrem Pentium-Chip verwendet werden – hergestellt haben, damit sie in einem Druckprozess verwendet werden können. Mit anderen Worten, anstatt Logik in ein festes Stück Silizium zu schnitzen, druckt Jacobson sie einfach auf ein Substrat.

Jacobsons Optimismus wird durch die schnellen Fortschritte seiner Gruppe bei der Synthese von Halbleitertinte gerechtfertigt. Unter normalen Bedingungen bilden halbleitende Materialien wie Silizium, Cadmiumselenid und Galliumarsenid massive Kristalle mit Schmelzpunkten weit über 1000 °C. Jacobson und sein Team haben jedoch einen Weg gefunden, eine Lösung aus winzigen Nanokristallen mit 100 Atomen oder weniger zu synthetisieren. Diese Halbleitertinte kann bei Temperaturen unter 300 °C auf eine Vielzahl von Substraten, einschließlich dünner Kunststoffplatten, gemustert oder gedruckt werden. Die Partikel, so Jacobson, sind klein genug, um 200-Nanometer-Strukturen zu bilden – etwa in der Größenordnung komplexer integrierter Schaltkreise wie Intels Pentium-Chip.

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Die Suspension von Nanopartikeln ist herkömmlichen Tinten so ähnlich, dass Jacobson und seine Mitarbeiter einen Tintenstrahldrucker von Hitachi verwenden können, um winzige Maschinen herzustellen, die MEMS oder mikroelektromechanische Systeme genannt werden. MEMS, einer der am schnellsten wachsenden neuen Bereiche in der Materialtechnologie ( sehen Möge die Micro Force mit dir sein , TR September/Oktober 1999 ) werden typischerweise unter Verwendung vieler derselben mühsamen Techniken hergestellt, die zur Herstellung herkömmlicher Silizium-Mikrochips verwendet werden. Unter Verwendung des Tintenstrahldruckers ist es Jacobson und seinen Studenten gelungen, sowohl einen funktionierenden thermischen Aktuator als auch einen Linearantriebsmotor mit Merkmalen in der Größenordnung von 100 Mikrometern herzustellen, indem einfach Hunderte von Tintenschichten aufgetragen wurden. Und sie formen die winzigen Maschinen ohne Reinraum und bei Temperaturen deutlich unter 300 °C.

Der Konzern hat den Tintenstrahldrucker auch verwendet, um viel intelligentere Radiofrequenz-Identifikationsetiketten herzustellen. Andere arbeiten ebenfalls an solchen Tags, verlassen sich aber auf Logik mit organischen Transistoren. Jacobson glaubt, dass die schnellere Logik, die mit anorganischen Stoffen möglich ist, seine Version der Tags viel intelligenter machen kann, sodass Unternehmen alles von teuren Waren bis hin zu den Paketen in einem Supermarkt verfolgen können. Ein Funksignaldetektor könnte die Geräte auslesen, aktualisieren und in Inventarsysteme integrieren. Eine Person könnte einen Supermarkt betreten, einige Artikel abholen und hinausgehen, und das Geld würde automatisch gezählt und von seinem Bankkonto – und vom Bestandssystem des Supermarkts – abgebucht.

Die Verwendung solcher gedruckter Schaltungen ist nur der Anfang. Da die Computerlogik gedruckt ist, kann sie auf fast alles aufgebracht werden: Suppendosenetiketten, Textilien, Getränkedosen. Sie könnten fast alles, was Sie wollen, intelligent machen, behauptet Colin Bulthaup, einer von Jacobsons Schülern. Eine Sache, die wir tun möchten, ist, eine Digitalkamera in eine Visitenkarte zu bauen: alles, was in die Karte selbst eingebettet ist. Es gibt keinen Grund, all diese klobigen Siliziumchips zu haben. Sie können Ihren Halbleiter, Ihren Fotodetektor – alle Materialien zusammen – bemustern und in ein einziges Gerät integrieren, das unglaublich klein, unglaublich billig und unglaublich schnell herzustellen ist.

Die Herstellung solcher Geräte mit einem Tintenstrahldrucker ist jedoch noch weit davon entfernt, hochwertige Logikschaltungen zu drucken. Das erfordert die Herstellung von Transistoren und anderen elektronischen Bauteilen im Maßstab von einigen hundert Nanometern – der Präzision eines Pentium-Chips. Dafür hat Jacobson Polymerstempel verwendet, die sich nicht allzu sehr von den Stempeln unterscheiden, die zur Beglaubigung von Dokumenten verwendet werden. In einer Version hat der Stempel die Architektur des Schaltkreises in positivem Relief und ist in die Nanopartikel-Tinte getaucht; die Schaltung wird dann von Hand auf ein Substrat übertragen. Vielversprechend ist auch ein Negativstempel, der eine dünne Tintenschicht prägt, die zuvor auf eine Kunststoffoberfläche aufgetragen wurde. Die Merkmale des Stempels drücken die Tinte an bestimmten Stellen beiseite und bilden das Merkmal, das mit einer Auflösung von 200 Nanometern auf dem Stempel eingraviert ist.

Pentium-Herausforderung

Dies ist alles eine mächtige, attraktive Vision. Aber kann gedruckte Elektronik tatsächlich mit Multimilliarden-Dollar-Fabs konkurrieren, wenn es um die Herstellung der anspruchsvollen Schaltungen geht, die für hochwertige Logik erforderlich sind? Sigurd Wagner glaubt das nicht. Auch als Professor für Elektrotechnik an der Princeton University forscht Wagner an der gedruckten anorganischen Logik, sieht ihr Versprechen aber in billiger, großflächig einsetzbarer Elektronik und nicht in hochwertigen Mikroprozessoren.

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Sein Ziel, sagt Wagner, sei nicht die Konkurrenz mit der integrierten Schaltungstechnik; Es geht darum, in einen Bereich vorzudringen, den herkömmliche integrierte Schaltkreise nicht bewältigen können. Attraktive Anwendungen sind Tapeten, die wie ein riesiger Bildschirm wirken, in Textilien eingewebte Elektronik – sogar die elektronische Hülle eines Flugzeugs, die mechanisch auf sich ändernde Bedingungen reagieren kann.

Jacobson stimmt zu, dass sich der kurzfristige Gewinn in der Herstellung der billigen, flexiblen Elektronik auszahlen wird, die solche Anwendungen ermöglichen könnte. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen für unglaublich kostengünstige Einweglogik mit geringem Stromverbrauch auf Kunststoffsubstraten, sagt er. Und für diese Anwendungen sind die gedruckten Schaltungen von Jacobson derzeit besser geeignet. Zum einen sind sie für fortgeschrittene Logikanwendungen immer noch viel zu langsam; Obwohl die anorganischen Transistoren von Jacobson eine Größenordnung schneller sind als die gedruckten organischen Transistoren von Lucent und anderen Forschungsgruppen, sind sie immer noch 100-mal langsamer als die besten anorganischen Transistoren, die mit herkömmlichen Techniken hergestellt werden.

Aber die Herstellung der Pentium-ähnlichen Chips von morgen auf einer Desktop-Fabrik bleibt das Funkeln in Jacobsons Augen. Dazu muss die Geschwindigkeit der gedruckten anorganischen Logik erhöht werden. Es ist wahrscheinlich ein mehrjähriges Forschungsprojekt, sagt er, aber wir halten es für machbar.

Es ist genau die Art von Herausforderung und ein äußerst ehrgeiziges Projekt, die Jacobson liebt. Es ist die Art von Projekt, die Sie dazu bringt, die Möglichkeiten eines sehr vertrauten Objekts zu überdenken. Mit E Ink gibt er einer sehr alten Erfindung eine neue Wendung – der gedruckten Seite. Anstatt die Zeitung wegzuwerfen, möchte Jacobson ihre Tugenden bewahren und sie gleichzeitig für das Informationszeitalter aktualisieren. Und jetzt denkt er über die Herstellung integrierter Schaltkreise nach. Wenn Jacobson seine Visionen von gedruckten Schaltungen in die Praxis umsetzen kann, könnte er die Bedeutung von Hardware ändern und die milliardenschwere Halbleiterfabrik durch etwas ersetzen, das sich nicht so sehr von den seit Tausenden von Jahren existierenden Briefmarken unterscheidet.

Während der Rest der Computerindustrie versucht, die Hardwarepreise durch die Massenproduktion einiger weniger standardisierter Chips zu senken, geht Jacobson den entgegengesetzten Weg und versucht, jeden zum Meister – und Hersteller – seiner eigenen Logik zu machen.

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