Het prototype kan aanleiding geven tot een nieuwe generatie snellere, energiezuinigere elektronica
De zon kan onder gaan op silicium. Nu zijn computerchips gemaakt met koolstof nanobuisjes (een op de foto) de nieuwkomers.
‘Silicon Valley’ is binnenkort misschien een verkeerde benaming.
In een nieuwe microprocessor worden de transistors – kleine elektronische schakelaars die gezamenlijk berekeningen uitvoeren – gemaakt met koolstofnanobuisjes in plaats van met silicium. Door technieken te bedenken om de nanoschaaldefecten te overwinnen die vaak individuele nanobuistransistoren ondermijnen (SN: 19-07-17), hebben onderzoekers gecreëerd de eerste computerchip die duizenden van deze schakelaars gebruikt om programma’s uit te voeren.
Het prototype, beschreven in 29 augustus Natuur, is nog niet zo snel of zo klein als commerciële silicium-apparaten. Maar koolstof nanobuis-computerchips kunnen uiteindelijk leiden tot een nieuwe generatie snellere, energie-efficiëntere elektronica.
Dit is “een zeer belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van deze technologie”, zegt Qing Cao, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die niet bij het werk betrokken is.
Het hart van elke transistor is een halfgeleidercomponent, traditioneel gemaakt van silicium, die kan werken als een elektrische geleider of als een isolator. De “aan” en “uit” -toestanden van een transistor, waar stroom door de halfgeleider stroomt of niet, coderen de 1 en 0 s van computergegevens (SN: 4/2/13). Door slankere, gemenere siliciumtransistors te bouwen, ‘behaalden we elk jaar exponentiële winsten in de computer’, zegt Max Shulaker, elektrotechnisch ingenieur bij MIT. Maar “nu zijn de prestatieverbeteringen afgevlakt”, zegt hij. Siliciumtransistors kunnen niet veel kleiner en efficiënter worden dan ze al zijn.
Omdat koolstofnanobuisjes bijna atomair dun zijn en zo goed elektriciteit vervoeren, maken ze betere halfgeleiders dan silicium. In principe zouden koolstof nanobuisprocessors drie keer sneller kunnen draaien terwijl ze ongeveer een derde van de energie van hun siliciumvoorgangers verbruiken, zegt Shulaker. Maar tot nu toe bleken koolstofnanobuisjes te kieskeurig om complexe computersystemen te construeren.
Een probleem is dat wanneer een netwerk van koolstofnanobuisjes op een chip van een computerchip wordt gedeponeerd, de buizen de neiging hebben samen te klonteren in klonten die verhinderen dat de transistor werkt. Het is “alsof je probeert een stenen terras te bouwen, met een gigantische rots in het midden”, zegt Shulaker. Zijn team loste dat probleem op door nanobuisjes op een chip te verspreiden en vervolgens trillingen te gebruiken om voorzichtig ongewenste bundels van de laag nanobuisjes te schudden.
Een ander probleem waarmee het team werd geconfronteerd, is dat elke batch halfgeleidende koolstofnanobuisjes ongeveer 0,01 procent metalen nanobuisjes bevat. Omdat metalen nanobuizen niet goed kunnen schakelen tussen geleidend en isolerend, kunnen deze buizen de uitlezing van een transistor vertroebelen.
Op zoek naar een oplossing, analyseerden Shulaker en collega’s hoe zwaar metalen nanobuizen verschillende transistorconfiguraties beïnvloedden, die verschillende soorten bewerkingen uitvoeren op stukjes gegevens (SN: 10/9/15). De onderzoekers ontdekten dat defecte nanobuisjes de functie van sommige transistorconfiguraties meer beïnvloedden dan andere – vergelijkbaar met de manier waarop een ontbrekende letter sommige woorden onleesbaar kan maken, maar andere meestal leesbaar laat. Daarom hebben Shulaker en collega’s zorgvuldig het circuit van hun microprocessor ontworpen om transistorconfiguraties te vermijden die het meest in de war waren door glitches van metalen nanobuisjes.
“Een van de grootste dingen die indruk op me maakte over dit papier was de slimheid van dat circuitontwerp”, zegt Michael Arnold, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Wisconsin-Madison die niet bij het werk betrokken is.
Met meer dan 14.000 koolstof nanobuis transistors, heeft de resulterende microprocessor een eenvoudig programma uitgevoerd om het bericht te schrijven: “Hallo, wereld!” – het eerste programma dat veel beginnende computerprogrammeurs leren schrijven.
De nieuw geslagen koolstof nanobuis microprocessor is nog niet klaar om siliciumchips los te maken als de steunpilaar van moderne elektronica. Elk is ongeveer een micrometer breed, vergeleken met huidige siliciumtransistors met een diameter van tientallen nanometers. En elke transistor van koolstofnanobuisjes in dit prototype kan ongeveer een miljoen keer per seconde in- en uitschakelen, terwijl siliciumtransistors miljarden keren per seconde kunnen flikkeren. Dat plaatst deze nanobuis-transistors op één lijn met siliciumcomponenten die in de jaren tachtig zijn geproduceerd.
Het verkleinen van de nanobuis-transistoren zou helpen om de elektriciteit er met minder weerstand doorheen te laten stromen, waardoor de apparaten sneller kunnen worden in- en uitgeschakeld, zegt Arnold. En het parallel uitlijnen van de nanobuizen, in plaats van een willekeurig georiënteerd gaas te gebruiken, zou ook de elektrische stroom door de transistors kunnen verhogen om de verwerkingssnelheid te verhogen.
