Первый компьютер на углеродных нанотрубках.
Возможно, дни кремниевой технологии сочтены. Команда разработчиков создала компьютер с использованием углеродных нанотрубок.
Этот компьютер слабоват, по современным меркам:
он содержит 178 транзисторов, созданных на основе углеродных нанотрубок (в современном чипе содержатся миллионы кремниевых транзисторов)
Может оперировать только одним битом информации (современные процессоры 32 и 64)
Частота процессора 1 кГц (на много медленнее, чем в обычном смартфоне)
Но разработчики из Стэнфорда, под руководством проф.
Филипа Вонга( H.-S. Philip Wong ) и Субасиш Митра (Subhasish Mitra) опубликовали описание в Nature. “Это первый и важный шаг для такого многообещающего материала, который может использоваться в качестве альтернативы кремнию”, заявляют разработчики.
“Никто до нас не решался на создание рабочего компьютера основанного не на CMOS технологии”, говорит Нареш Шанбханг Naresh Shanbhag, профессор Университета Иллинойс. (Шанбханг является главой консорциума исследования чипов SONIC, куда входит и Стэнфордский Университет.)
Исследователи искали альтернативу кремнию потому, что транзисторы нельзя продолжать “упаковывать” в том же темпе, как раньше. Большой ток утечки и сильный нагрев схем,- результат создания всё более миниатюрных транзисторов и более плотной компоновки.
Скрученные, полые углеродные нанотрубки,- многообещающий альтернативный материал. Наноразмерная структура, обещает, в теории, очень плотную компоновку и хорошие электрические свойства. Ток легко проходит через нанотрубки, и они легко переключаются.
Первый транзистор из углеродных нанотрубок появился в 1998 году, как результат работы исследовательской группы компании IBM и Делфтского Технологического Университета. В дальнейшем, исследователи успешно создали небольшую электрическую сеть, но создание БИС на основе этого материала продвигается медленно. “Многие хотели создать коммерческий проект или полномасштабную цифровую систему из этого материала, но не смогли это сделать, т.к. есть существенные пробелы в работе с самими углеродными нанотрубками”, говорит Митра.
Два основных недостатка создают проблему, говорят разработчики. Конечно, нантрубки легко вырастить химическим процессом, но в процессе производства электрические свойства нанотрубок получаются разными,- от полупроводниковых до металлических. И “металлические” трубки - большая проблема, т.к. они, фактически, замыкают цепь.
Второй камень преткновения,- углеродные нанотрубки “выращиваются” в специальной форме, но во время производства они могут слипаться или разрываться, нарушая ячеистую структуру.
Для создания промышленного процесса, команда из Станфордской лаборатории чипов разработала ряд методик, позволяющих минимизировать брак. На “металлические” нанотрубки в ячеистой структуре, мешающие работе полупроводниковых нанотрубок, подаётся высокое напряжение,- в результате “металлические” нанотрубки перегреваются, окисляются, и полностью испаряются, замещаясь диоксидом углерода. Затем происходит вытравливание в виде нужной схемы. Процесс вытравливания выполняется в соответствии с алгоритмом, основанном на теории графов. Таким образом, производиться схема, математически гарантирующая работоспособность при любом несовершенстве использующая мельчайшие части, в любой возможной комбинации нанотрубок, говорит Митра.
Эта разработка не связана с компьютером построенным выпускником Максом Шулакаром ( Max Shulakar), который использовал логику p-тип метал-диоксид-полупроводник (PMOS). PMOS транзисторы переключаются при подаче отрицательного напряжения, а NMOS переключаются положительным потенциалом. Хотя логика PMOS была первой попыткой в вычислениях, современный типы используют оба типа логики (CMOS). Недостатки PMOS в том, что она работает как некая сеть транзисторов/сопротивлений, основанная на наличии транзисторов разной ширины для регулирования тока и падения напряжения.
Но Шулакер и его коллеги показали компьютер способный к базовым операциям процессора, которые от него и ожидаются. Он может выполнять: базовые операции системы, многозадачность, счёт, сортировку. Разработчики также продемонстрировали функционал сопоставимый с кремниевыми решениями, выполнив 20 различных инструкций, из наборов инструкций коммерческих MIPS.
Но как этот компьютер работает? Он использует одну инструкцию для всех вычислений,- SUBNEG (subtract and branch if negative). Фрнац Креупл ( Franz Kreupl), профессор электротехники Мюнхенского университет в Германии, написал следующий комментарий:
SUBNEG извлекает информацию из первого адреса памяти, вычитает её из содержимого второго адреса, записывая результат по второму адресу. Если результат вычислений отрицателен, он записывается по третьему адресу. Потому что, инструкция содержит это определённое условие, и это гарантирует выполнение условия Тьюрига и позволяет производить любые вычисление, при наличии достаточного количества памяти.
Этот “простенький” компьютер, говорит Креупл (Kreupl), хороший пример альтернативы кремнию. Новая работа может привлечь больше внимания к углеродным трубкам, который снизился в последние годы из-за граффена. “Подобных электрических схем ещё не создавалось”,- отмечает Креупл,- “я думаю это важный шаг вперёд.”
Конечно, всё ещё остаются отрытые вопросы. Один из них,- как это будет работать в полномасштабной схеме. Работая в замечательной академической лаборатории Стэнфорда, команда ограничена оптическим разрешением в 1 микрометр, что и задаёт размеры углеродного нанотразистора (современные тразисторы измеряются десятками нанометров). Компактность нанотрубок позволит упаковать от 100 до 200 единиц в один микрометр, если не больше, осталось только увеличить скорость переключения и снизить стоимость производства.
Существенный прогресс будет достигнут, когда “беспорядочный” транзистор “уляжется”. “Если удастся получить высокую плотность компоновки, то можно получить эффективную энергетическую цепь,” говорить Митра. Сейчас, ведутся работы по решению именно этого вопроса. Но нужно понимать, говорит он, мы достигли только важной точки в комплексе проблем, впереди ещё много работы. “Нам говорили, вы не можете построить что-либо значимое из углеродных нанотрубок,” говорить он, “но сейчас мы имеет рабочий образец.”
IEEE Sperctrum