Der fortschrittlichste Nanoröhren-Computer der Welt könnte das Mooresche Gesetz am Leben erhalten

Nahaufnahme von Nanoröhren

Nahaufnahme von NanoröhrenGlücklicher Frankel



Ein Team von Wissenschaftlern am MIT hat den bisher fortschrittlichsten Chip der Welt vorgestellt, der aus Kohlenstoffnanoröhren besteht – Zylindern mit Wänden, die so breit sind wie ein einzelnes Kohlenstoffatom. Der neue Mikroprozessor, der ein herkömmliches Softwareprogramm ausführen kann, könnte ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu Silizium-Alternativen sein.

Die Elektronikindustrie kämpft mit einer Verlangsamung des Mooreschen Gesetzes, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf einen Siliziumprozessor gepackt werden können, etwa alle paar Jahre verdoppelt. Dieser Trend stößt an seine physikalischen Grenzen: Da die Größe der Geräte auf wenige Atome schrumpft, beginnt elektrischer Strom aus den metallischen Kanälen zu lecken, die ihn durch die Transistoren transportieren. Die freigesetzte Wärme beeinträchtigt die Energieeffizienz von Halbleitern – und kann sogar zu deren Ausfall führen.





Carbon Nanotubes könnten die perfekte Lösung sein. Nanoröhrentransistoren sind nicht nur schneller als Siliziumtransistoren, Studien haben auch ergeben, dass Chips aus Nanoröhren bis zu zehnmal energieeffizienter sein könnten. Dieser Effizienzschub könnte die Akkulaufzeit elektronischer Geräte erheblich verlängern.

Forscher arbeiten seit Jahrzehnten an alternativen Chips, die die Moleküle beinhalten, aber Kopfschmerzen bei der Herstellung haben dazu geführt, dass die Prozessoren in Forschungslabors stecken geblieben sind. In ein Papier veröffentlicht in Nature, sagt das MIT-Team, dass es Wege gefunden hat, einige der größten Hürden zu überwinden, um sie in großem Maßstab zu produzieren.

Gemischt

Ein Problem besteht darin, dass bei der Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren zwei Arten gemischt vorkommen: Die ersten sind Halbleiter, die sich perfekt für die Herstellung integrierter Schaltkreise eignen, aber die zweiten leiten elektrischen Strom wie ein Draht, der mehr Strom verbraucht und sogar den eines Schaltkreises untergraben kann Leistung. Um die Chips wirtschaftlich rentabel zu machen, ist ein kostengünstiger Weg erforderlich, um die Auswirkungen der letzteren Gruppe zu minimieren.



Ein weiteres Problem besteht darin, dass zur Herstellung der Chips eine gleichmäßige Monoschicht aus Kohlenstoffnanoröhren über einem Wafer abgeschieden werden muss. Dies hat sich jedoch als schwierig erwiesen, da Nanoröhren die lästige Tendenz haben, sich zusammenzuballen. Ein Bündel davon, das auf einem Transistor landet, kann ihn außer Betrieb setzen.

Diese und andere Herausforderungen faszinierten Max Shulaker, einen MIT-Professor, der an anderen bemerkenswerten Projekten auf diesem Gebiet gearbeitet hat und von der US Defense Advanced Projects Research Agency finanziert wurde Nanoröhrentechnologie zu entwickeln .

Die von ihm geleitete Forschergruppe hat einen funktionierenden 16-Bit-Mikroprozessor entwickelt, der aus über 14.000 Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistoren besteht und laut Shulaker der komplexeste ist, der jemals demonstriert wurde. Die von ihnen entwickelten Techniken können mit Geräten implementiert werden, die zur Herstellung herkömmlicher Siliziumchips verwendet werden, was bedeutet, dass Chiphersteller nicht in teure neue Geräte investieren müssen, wenn sie Nanoröhrenprozessoren herstellen möchten.

Als sie sich mit dem Vermischungsproblem befassten, entdeckten die Forscher, dass einige Arten von Logikgattern, die grundlegende Bausteine ​​digitaler Schaltungen sind, widerstandsfähiger gegen Probleme waren, die durch metallähnliche Nanoröhren ausgelöst wurden, als andere. Das veranlasste sie, ein neues Schaltungsdesign zu entwickeln, das diese Gates priorisiert und gleichzeitig die Verwendung empfindlicherer metallischer Gates minimiert.



Um das Bündelungsproblem zu lösen, beschichteten sie einen Wafer mit einem Polymer und wuschen es dann schrittweise sorgfältig ab. Dadurch wurden die Nanoröhrchen-Klumpen abgestreift und die Monoschicht zurückgelassen, die erforderlich ist, damit der Chip am effizientesten arbeitet.

Der Weg voraus

Der Chip, den die MIT-Forscher mit diesen Techniken hergestellt haben, kann ein einfaches Programm ausführen, das die Nachricht „Hello, World“ erzeugt. Aber wenn sie Siliziumprozessoren verdrängen sollen, werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Prozessoren letztendlich Milliarden von Transistoren benötigen, damit sie fortschrittliche Software ausführen können.

IBM, das vor einigen Jahren sagte, es hoffe, bis 2020 Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Chips von Silizium-Chips ablösen zu können, arbeitet ebenfalls an Projekten, die diese Technologie betreffen. Bisher sind die Bemühungen jedoch gescheitert, einen Weg zu finden, Labordurchbrüche in die praktische Fertigung umzusetzen. Die neuen Fortschritte machen den Weg dahin klarer. Es ist kein Vertrauensvorschuss mehr erforderlich, sagt Shulaker.

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