Il primo computer a nanotubi di carbonio

Per la prima volta, i ricercatori hanno costruito un computer il cui processore centrale è basato interamente su nanotubi di carbonio, una forma di carbonio con notevoli proprietà materiali ed elettroniche. Il computer è lento e semplice, ma i suoi creatori, un gruppo di ingegneri della Stanford University, affermano che dimostra che l'elettronica dei nanotubi di carbonio è un possibile sostituto del silicio quando raggiunge i suoi limiti in circuiti elettronici sempre più piccoli.

Chip del tubo: Questa immagine al microscopio elettronico a scansione mostra una sezione del primo computer con nanotubi di carbonio. L'immagine è stata colorata per identificare le diverse parti del chip.

Il processore di nanotubi di carbonio è paragonabile in termini di capacità al Intel 4004 , il primo microprocessore di quell'azienda, che è stato rilasciato nel 1971, dice Subhasish Mitra , un ingegnere elettrico a Stanford e uno dei co-leader del progetto. Il computer, descritto oggi sul giornale Natura , esegue un semplice set di istruzioni software chiamato MIPS. Può passare da un'attività all'altra (contare e ordinare i numeri) e tenerne traccia, nonché recuperare i dati e inviarli a una memoria esterna.

Il processore a nanotubi è composto da 178 transistor, ciascuno dei quali contiene nanotubi di carbonio lunghi da 10 a 200 nanometri. Il gruppo di Stanford afferma di aver realizzato sei versioni di computer con nanotubi di carbonio, inclusa una che può essere collegata a hardware esterno: un tastierino numerico che può essere utilizzato per inserire numeri da aggiungere.

Aaron Franklin , un ricercatore presso l'IBM Watson Research Center di Yorktown Heights, New York, afferma che il confronto con il 4004 e altri primi processori al silicio è appropriato. Questa è una dimostrazione formidabile per le persone nella comunità elettronica che hanno dubitato dei nanotubi di carbonio, dice.

Il gruppo di Franklin ha dimostrato che i singoli transistor a nanotubi di carbonio, più piccoli di 10 nanometri, sono più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico di quelli realizzati con qualsiasi altro materiale, compreso il silicio. Il lavoro teorico ha anche suggerito che un computer con nanotubi di carbonio sarebbe un ordine di grandezza più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai migliori computer al silicio. E la capacità del nanomateriale di dissipare il calore suggerisce che i computer con nanotubi di carbonio potrebbero funzionare a una velocità incredibile senza surriscaldarsi, un problema che pone limiti di velocità ai processori al silicio nei computer di oggi.

Tuttavia, alcune persone dubitano che i nanotubi di carbonio sostituiranno il silicio. Lavorare con i nanotubi di carbonio è una grande sfida. Di solito sono cresciuti in un modo che li lascia in un pasticcio aggrovigliato e circa un terzo dei tubi sono metallici, piuttosto che semiconduttori, che causano cortocircuiti.

Negli ultimi anni, Mitra ha collaborato con l'ingegnere elettrico di Stanford Philip Wong , che ha sviluppato modi per eludere alcune delle sfide sui materiali che hanno impedito la creazione di circuiti complessi dai nanotubi di carbonio. Wong ha sviluppato un metodo per far crescere nanotubi per lo più molto dritti su quarzo, quindi trasferendoli su un substrato di silicio per realizzare i transistor. Il gruppo di Stanford copre anche le aree attive dei transistor con un rivestimento protettivo, quindi elimina eventuali nanotubi esposti che sono andati fuori strada.

Wong e Mitra applicano anche una tensione per spegnere tutti i nanotubi semiconduttori su un chip. Quindi immettono una grande corrente attraverso il chip; quelli metallici si riscaldano, si ossidano e si disintegrano. Tutte queste correzioni specifiche per i nanotubi, e il resto del processo di produzione, possono essere eseguite sull'attrezzatura standard utilizzata per realizzare i chip di silicio di oggi. In questo senso, il processo è scalabile.

Alla fine del mese scorso a Patatine fritte , una conferenza di progettazione ingegneristica ospitata, per coincidenza, a Stanford, il direttore del Microsystems Technology Office della DARPA ha suscitato scalpore discutendo della fine dell'elettronica al silicio. In una nota chiave, Robert Colwell , ex capo architetto di Intel, ha previsto che già nel 2020 l'industria informatica non sarà più in grado di continuare a migliorare le prestazioni e i costi raddoppiando la densità dei transistor di silicio sui chip ogni 18-24 mesi, un'impresa soprannominata legge di Moore. dopo il cofondatore di Intel Gordon Moore, che per primo ha osservato la tendenza.

Mitra e Wong sperano che il loro computer mostri che i nanotubi di carbonio potrebbero essere una risposta seria alla domanda su cosa verrà dopo. Finora nessuna tecnologia emergente si avvicina al silicio. Di tutti i materiali emergenti e le nuove idee indicate come possibili salvatori - nanofili, spintronica, grafene, computer biologici - nessuno ha creato un'unità di elaborazione centrale basata su nessuno di essi, afferma Mitra. In quel contesto, recuperare le prestazioni del silicio intorno al 1970, sebbene lasci molto lavoro da fare, è entusiasmante.

Victor Zhirnov , specialista in nanoelettronica presso il Società di ricerca sui semiconduttori a Durham, nella Carolina del Nord, è molto più cautamente ottimista. Il processore a nanotubi ha 10 milioni di volte in meno di transistor rispetto ai tipici microprocessori di oggi, funziona molto più lentamente e funziona a cinque volte la tensione, il che significa che utilizza circa 25 volte più energia, osserva.

Parte della lentezza del computer a nanotubi è dovuta alle condizioni in cui è stato costruito, in un laboratorio accademico utilizzando ciò a cui aveva accesso il gruppo di Stanford, non in una fabbrica standard del settore. Il processore è collegato a un disco rigido esterno, che funge da memoria, tramite un grande fascio di cavi elettrici, ciascuno dei quali si collega a un grande piedino metallico sopra il processore a nanotubi. Ciascuno dei pin a sua volta si collega a un dispositivo sul chip. Questa confezione disordinata significa che i dati devono percorrere distanze maggiori, il che riduce l'efficienza del computer.

Con gli strumenti a portata di mano, il gruppo di Stanford non può nemmeno realizzare transistor più piccoli di circa un micrometro, confrontandolo con l'annuncio di Intel all'inizio di questo mese che la sua prossima linea di prodotti sarà basata sulla tecnologia a 14 nanometri. Se, tuttavia, il gruppo dovesse entrare in una fabbrica all'avanguardia, i suoi rendimenti di produzione migliorerebbero abbastanza da essere in grado di realizzare computer con migliaia di transistor più piccoli e il computer potrebbe funzionare più velocemente.

Per raggiungere il superbo livello di prestazioni teoricamente offerto dai nanotubi, i ricercatori dovranno imparare a costruire complessi circuiti integrati costituiti da incontaminati singoli transitori a nanotubi. Franklin afferma che gli esperti di dispositivi e materiali come il suo gruppo in IBM devono iniziare a lavorare in stretta collaborazione con i progettisti di circuiti come quelli di Stanford per fare progressi reali.

Siamo ben consapevoli che il silicio sta finendo il vapore e che entro 10 anni sta arrivando alla fine, afferma Zhirnov. Se i nanotubi di carbonio diventeranno pratici, deve avvenire rapidamente.

nascondere