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Stanford-Forscher bauen komplexe Schaltkreise aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen
Forscher der Stanford University haben einen der bisher komplexesten Schaltkreise aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebaut. Sie haben letzte Woche einen einfachen Händeschütteln-Roboter mit einer Sensor-Schnittstellen-Schaltung auf der Internationale Konferenz für Halbleiterschaltungen in San Francisco.
Kohlenstoffkomplexität: Dieser Wafer ist mit einem komplexen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Schaltkreis strukturiert, der als Sensorschnittstelle dient.
Da die Siliziumtransistoren in heutigen Computern an ihre physikalischen Grenzen stoßen, sucht die Halbleiterindustrie nach Alternativen, und eine der vielversprechendsten sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Winzige Transistoren aus diesen Nanomaterialien sind schneller und energieeffizienter als Silizium-Transistoren, und Computermodelle sagen voraus, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Prozessoren eine Größenordnung weniger energiehungrig sein könnten. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, einzelne Transistoren in komplexe Arbeitsschaltungen zu verwandeln (siehe Wie man einen Nano-Computer baut).
Die Demonstrationsschaltung aus Kohlenstoffnanoröhren wandelt ein analoges Signal von einem Kondensator – dem gleichen Sensortyp, der in vielen Touchscreens zu finden ist – in ein digitales Signal um, das für einen Mikroprozessor verständlich ist. Die Stanford-Forscher manipulierten eine hölzerne Schaufensterpuppe mit dem kapazitiven Schalter in der Handfläche. Wenn jemand die Hand greift und den Schalter betätigt, sendet die Nanoröhrenschaltung ihr Signal an den Computer, der einen Motor an der Roboterhand aktiviert und ihn auf und ab bewegt, um die Hand der Person zu schütteln.
Andere Forscher haben bereits einfache Nanoröhren-Schaltungen demonstriert, aber dies ist die bisher komplexeste und zeigt auch, dass Nanoröhren-Transistoren mit hohen Ausbeuten hergestellt werden können, sagt Subhasish Mitra , außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik, der die Arbeit mit Philip Wong , Professor für Elektrotechnik in Stanford.
Die Nanoröhren-Schaltung ist immer noch relativ langsam – ihre Transistoren sind groß und weit auseinander im Vergleich zu den neuesten Silizium-Schaltungen. Aber die Arbeit ist eine wichtige experimentelle Demonstration des Potenzials der Kohlenstoffnanoröhren-Computertechnologie.
Dies zeigt, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistoren in Logikschaltungen integriert werden können, die bei niedriger Spannung arbeiten, sagt Aaron Franklin , der am IBM Watson Research Center Nanoröhren-Elektronik entwickelt. Diese Leistung wurde von Franklins Gruppe auf Einzeltransistorebene demonstriert und von anderen als theoretisch möglich gezeigt, aber es ist wichtig, es in einer komplexen Schaltung zu sehen, sagt Franklin.
Die Arbeit mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen stellt viele Herausforderungen dar – bis zu 30 Prozent davon sind metallisch statt halbleitend und können einen Stromkreis durchbrennen. Nanoröhren neigen auch dazu, in einem spaghettiähnlichen Gewirr zu wachsen, was dazu führen kann, dass Schaltkreise unvorhersehbar umschalten. Der Ansatz der Stanford-Gruppe besteht darin, mit ihren Unvollkommenheiten zu arbeiten und fehlertolerante Schaltungsdesigntechniken zu entwickeln, die es ihnen ermöglichen, Schaltungen zu bauen, die selbst dann funktionieren, wenn die Ausgangsmaterialien fehlerhaft sind. Wir wollen die Schaltungskomplexität aufbauen, dann wieder die Baumethoden verbessern und dann komplexere Schaltungen machen, sagt Wong.
Das ist nicht anders als in den Anfängen des Siliziums, sagt Ashraf Alam , Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Purdue University. Verglichen mit der Elektronik heutiger siliziumbasierter Smartphones und Supercomputer waren die ersten Siliziumtransistoren ebenso wie die ersten integrierten Schaltkreise von schlechter Qualität. Aber Silizium überstand seine Wachstumsschwierigkeiten, und die Halbleiterindustrie perfektionierte den Bau immer dichterer Arrays integrierter Schaltkreise aus immer kleineren Transistoren.
Variation und Unvollkommenheit werden die Luft sein, die wir in der Halbleitertechnologie atmen, sagt Wong, nicht nur für diejenigen, die mit neuen Materialien arbeiten, sondern auch für die konventionelle Siliziumtechnologie. Die modernen Chips von heute verwenden 22-Nanometer-Transistoren – Milliarden auf jedem Chip – und ihre Leistung variiert nur sehr wenig; die Halbleiterindustrie hat es gemeistert, diese winzigen Geräte in enormem Maßstab und mit sehr hohen Ausbeuten herzustellen.
Das Streben nach ständiger Miniaturisierung von Transistoren bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer gewissenhaften Qualitätskontrolle hat Technologien ermöglicht, die von Smartphones bis hin zu Supercomputern reichen. Aber unvermeidliche Fehler auf der Ebene einzelner Atome werden bald zu Leistungsschwankungen führen, die beim Schaltungsdesign berücksichtigt werden müssen. Fehlertolerantes Design muss ein Teil der Zukunft sein, denn wir werden die Materialien nie ganz perfekt bekommen, sagt Wong.