Der erste Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Computer

Zum ersten Mal haben Forscher einen Computer gebaut, dessen Zentralprozessor vollständig auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen basiert, einer Form von Kohlenstoff mit bemerkenswerten Material- und elektronischen Eigenschaften. Der Computer ist langsam und einfach, aber seine Schöpfer, eine Gruppe von Ingenieuren der Stanford University, sagen, er zeige, dass die Elektronik aus Kohlenstoffnanoröhren ein brauchbarer potenzieller Ersatz für Silizium ist, wenn sie in immer kleineren elektronischen Schaltungen an ihre Grenzen stößt.

Röhrenchip: Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt einen Ausschnitt des allerersten Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Computers. Das Bild wurde eingefärbt, um verschiedene Teile des Chips zu identifizieren.

Der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Prozessor ist in seinen Fähigkeiten vergleichbar mit dem Intel 4004 , der erste Mikroprozessor dieses Unternehmens, der 1971 auf den Markt kam, sagt Subhasish Mitra , Elektroingenieur in Stanford und einer der Co-Leiter des Projekts. Der Computer, heute in der Zeitschrift beschrieben Natur , führt einen einfachen Software-Befehlssatz namens MIPS aus. Es kann zwischen mehreren Aufgaben (Zählen und Sortieren von Zahlen) wechseln und diese verfolgen, und es kann Daten von einem externen Speicher abrufen und an einen externen Speicher zurücksenden.

Der Nanotube-Prozessor besteht aus 178 Transistoren, die jeweils etwa 10 bis 200 Nanometer lange Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthalten. Die Stanford-Gruppe sagt, dass sie sechs Versionen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Computern hergestellt hat, darunter eine, die an externe Hardware angeschlossen werden kann – eine numerische Tastatur, mit der Zahlen zum Hinzufügen eingegeben werden können.

Aaron Franklin , ein Forscher am IBM Watson Research Center in Yorktown Heights, New York, sagt, der Vergleich mit dem 4004 und anderen frühen Siliziumprozessoren sei treffend. Dies sei eine großartige Demonstration für Leute in der Elektronik-Community, die an Kohlenstoff-Nanoröhrchen gezweifelt haben, sagt er.

Franklins Gruppe hat gezeigt, dass einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistoren – kleiner als 10 Nanometer – schneller und energieeffizienter sind als solche aus jedem anderen Material, einschließlich Silizium. Theoretische Arbeiten haben auch vorgeschlagen, dass ein Computer mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Größenordnung energieeffizienter ist als die besten Silizium-Computer. Und die Fähigkeit des Nanomaterials, Wärme abzuleiten, deutet darauf hin, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Computer ohne Erwärmung rasend schnell laufen könnten – ein Problem, das den Siliziumprozessoren in heutigen Computern Geschwindigkeitsbegrenzungen setzt.

Dennoch bezweifeln einige Leute, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen Silizium ersetzen werden. Die Arbeit mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist eine große Herausforderung. Sie werden in der Regel so angebaut, dass sie in einem Wirrwarr verheddert werden, und etwa ein Drittel der Röhren sind metallisch und nicht halbleitend, was zu Kurzschlüssen führt.

In den letzten Jahren hat Mitra mit dem Elektroingenieur von Stanford zusammengearbeitet Philip Wong , der Wege entwickelt hat, einige der Materialherausforderungen zu umgehen, die die Bildung komplexer Schaltkreise aus Kohlenstoffnanoröhren verhindert haben. Wong entwickelte eine Methode, um meist sehr gerade Nanoröhren auf Quarz zu züchten und sie dann auf ein Siliziumsubstrat zu übertragen, um die Transistoren herzustellen. Die Stanford-Gruppe bedeckt auch die aktiven Bereiche der Transistoren mit einer Schutzschicht und ätzt dann alle freiliegenden Nanoröhren weg, die verloren gegangen sind.

Wong und Mitra legen außerdem eine Spannung an, um alle halbleitenden Nanoröhren auf einem Chip auszuschalten. Dann pulsieren sie einen großen Strom durch den Chip; die metallischen erhitzen sich, oxidieren und zerfallen. Alle diese Nanoröhren-spezifischen Korrekturen – und der Rest des Herstellungsprozesses – können mit der Standardausrüstung durchgeführt werden, die zur Herstellung der heutigen Siliziumchips verwendet wird. In diesem Sinne ist der Prozess skalierbar.

Ende letzten Monats um Heiße Chips , eine technische Designkonferenz, die zufällig in Stanford veranstaltet wurde, erregte der Direktor des Mikrosystemtechnik-Büros bei DARPA Aufsehen, als er das Ende der Siliziumelektronik diskutierte. In einer Keynote, Robert Colwell , ehemaliger Chefarchitekt bei Intel, prognostizierte, dass die Computerindustrie bereits 2020 nicht mehr in der Lage sein wird, Leistungs- und Kostenverbesserungen zu erzielen, indem sie die Dichte der Siliziumtransistoren auf den Chips alle 18 bis 24 Monate verdoppelt – eine Leistung, die als Moore's Law bezeichnet wird nach dem Intel-Mitbegründer Gordon Moore, der den Trend zuerst beobachtete.

Mitra und Wong hoffen, dass ihr Computer zeigt, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine ernsthafte Antwort auf die Frage sein könnten, was als nächstes kommt. Bisher kommen keine neuen Technologien mit Silizium in Berührung. Von all den aufkommenden Materialien und neuen Ideen, die als mögliche Retter angesehen werden – Nanodrähte, Spintronik, Graphen, biologische Computer – hat niemand eine zentrale Verarbeitungseinheit basierend auf einem von ihnen entwickelt, sagt Mitra. In diesem Zusammenhang ist es spannend, an die Leistung von Silizium um 1970 heranzukommen, auch wenn es noch viel zu tun bleibt.

Victor Zhirnov , Spezialist für Nanoelektronik an der Halbleiterforschungsgesellschaft in Durham, North Carolina, ist viel vorsichtiger optimistisch. Der Nanotube-Prozessor hat 10 Millionen Mal weniger Transistoren als heutige typische Mikroprozessoren, läuft viel langsamer und arbeitet mit der fünffachen Spannung, was bedeutet, dass er etwa 25-mal so viel Strom verbraucht, bemerkt er.

Ein Teil der Trägheit des Nanoröhren-Computers ist auf die Bedingungen zurückzuführen, unter denen er gebaut wurde – in einem akademischen Labor, in dem die Stanford-Gruppe Zugang hatte, nicht in einer Fabrik nach Industriestandard. Der Prozessor ist mit einer externen Festplatte, die als Speicher dient, über ein großes Bündel elektrischer Drähte verbunden, von denen jedes mit einem großen Metallstift auf der Oberseite des Nanotube-Prozessors verbunden ist. Jeder der Pins ist wiederum mit einem Gerät auf dem Chip verbunden. Diese unordentliche Verpackung bedeutet, dass die Daten längere Strecken zurücklegen müssen, was die Effizienz des Computers beeinträchtigt.

Mit den verfügbaren Tools kann die Stanford-Gruppe auch keine Transistoren kleiner als etwa einen Mikrometer herstellen – vergleichen Sie dies mit der Ankündigung von Intel Anfang dieses Monats, dass seine nächste Produktlinie auf der 14-Nanometer-Technologie basieren wird. Wenn die Gruppe jedoch in eine hochmoderne Fabrik gehen würde, würden sich die Produktionsausbeuten genug verbessern, um Computer mit Tausenden kleinerer Transistoren herstellen zu können, und der Computer könnte schneller laufen.

Um die theoretisch hervorragende Leistung von Nanoröhren zu erreichen, müssen die Forscher lernen, wie man komplexe integrierte Schaltkreise baut, die aus makellosen einzelnen Nanoröhren-Transitoren bestehen. Franklin sagt, dass Geräte- und Materialexperten wie seine Gruppe bei IBM eine engere Zusammenarbeit mit Schaltungsdesignern wie denen in Stanford beginnen müssen, um echte Fortschritte zu erzielen.

Wir sind uns bewusst, dass dem Silizium die Puste ausgeht, und innerhalb von 10 Jahren geht es zu Ende, sagt Zhirnov. Wenn Kohlenstoff-Nanoröhrchen praktisch werden sollen, muss es schnell gehen.

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