Šis raksts Aiz ainas tika piegādāts WordsSideKick.com sadarbībā ar Nacionālo zinātnes fondu.
Miniaturizācija ir pusvadītāju nozares galvenais virzītājspēks, un visnozīmīgākais izaicinājums nepārtrauktai elektronisko sistēmu miniaturizācijai ir energoefektivitāte.
"Tuvojoties Mūra likuma galīgajām robežām, tomēr silīcijs būs jāmaina, lai turpinātu miniatūru," sacīja Džefrijs Bokors no Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas un Kalifornijas universitātes Bērklijā.
Šajā nolūkā oglekļa nanocaurules ir ievērojama novirze no tradicionālajām silīcija tehnoloģijām un daudzsološs ceļš uz energoefektivitātes problēmu risināšanu datoru ķēdēs. Oglekļa nanocaurules ir cilindriskas oglekļa nanostruktūras ar izcilām elektriskām, termiskām un mehāniskām īpašībām. Nanocauruļu shēmas var nodrošināt energoefektivitātes uzlabojumus par lielumu, salīdzinot ar tradicionālajām silīcija tehnoloģijām.
Kad 1998. gadā tika demonstrēti pirmie rudimentārie nanocauruļu tranzistori, pētnieki iedomājās ļoti efektīvas, progresīvas skaitļošanas elektronikas jaunu laikmetu. Tomēr šis solījums vēl jāizpilda, ņemot vērā būtiskas materiālu nepilnības, kas raksturīgas nanocaurulēm, un tas inženieriem ir licis domāt, vai oglekļa nanocaurules kādreiz izrādīsies dzīvotspējīgas.
Tomēr dažu pēdējo gadu laikā Stenfordas inženieru profesoru, doktorantu, studentu un vidusskolu internātu komanda, kuru vadīja profesori Subhasish Mitra un H.-S. Filips Vongs pieņēma izaicinājumu. Viņu darbs ir radījis virkni izrāvienu, kas attēlo vismodernākos skaitļošanas un uzglabāšanas elementus, kas vēl izveidoti, izmantojot oglekļa nanocaurules.
Spītīgi izaicinājumi
Šīs augstas kvalitātes, izturīgās nanocauruļu shēmas ir imūnas pret spītīgajām un kropļojošajām materiāla nepilnībām, kas vairāk nekā desmit gadus ir ieslodzījušas pētniekus - grūts šķērslis, kas ir ļāvis plašāk izmantot nanocauruļu shēmas rūpniecībā. Šis solis ir būtisks pagrieziena punkts virzienā uz to, ko pētnieki sauc par "ļoti liela mēroga integrētām sistēmām", kuru pamatā ir nanocaurules.
"Pirmie oglekļa nanocaurules pētnieku aprindās uzbudināja ar savām ārkārtējām elektriskajām, termiskajām un mehāniskajām īpašībām vairāk nekā pirms desmit gadiem, taču šis nesenais darbs Stenfordā sniedza pirmo ieskatu to dzīvotspējā, lai papildinātu silīcija CMOS tranzistorus," sacīja Larijs Pileggi, profesors. elektrotehnikas un datoru inženierija Karnegi Melona universitātē.
Lai gan oglekļa nanocauruļu ķēdēs gadu gaitā ir izdarīti ievērojami panākumi, tie lielākoties ir nonākuši vienas nanocaurules līmenī.
Pirms oglekļa nanocauruļu praktiskas izmantošanas tehnoloģijās var izmantot vismaz divus galvenos šķēršļus. Pirmkārt, apstrādei jāpanāk gandrīz pilnīga nanocauruļu izlīdzināšana. Nepareizi izkārtotas nanocaurules ķēdēs ievada kaitīgu, noklīdušu, vadošu ceļu un nepareizu funkcionalitāti. Otrkārt, inženieriem no ķēdēm jāizņem metāliski oglekļa nanocaurules (pretstatā vēlamākiem pusvadošām oglekļa nanocaurulītēm). Metāla oglekļa nanocaurules izraisa īssavienojumus, pārmērīgu enerģijas noplūdi un uzņēmību pret ķēdes troksni. Nevienā oglekļa nanocauruļu sintēzes tehnikā vēl nav ražoti tikai pusvadoši nanocaurules.
Apkārtas barjeras
Saprotot, ka labāki procesi vienatnē nekad nepārvarēs šīs nepilnības, Stenfordas inženieri apņēma barjeras, izmantojot unikālu nepilnību un imūno dizainu. Viņi ir izveidojuši pirmās pilna vafeļu mēroga digitālās loģikas struktūras, kuru pamatā ir oglekļa nanocaurules, kuras neietekmē nepareizi izkārtotas un nepareizi novietotas nanocaurules. Turklāt viņi ir pievērsušies metālisku oglekļa nanocauruļu izaicinājumiem, izgudrojot paņēmienu, kā noņemt šos nevēlamos elementus no to ķēdēm.
"Oglekļa nanocauruļu tranzistori ir pievilcīgi daudzu iemeslu dēļ kā pamats blīvām, energoefektīvām integrētajām shēmām nākotnē," sacīja Supratiks Guha, IBM Tomasa Dž. Vatsona pētījumu centra Fizisko zinātņu departamenta direktors. "Bet, tā kā tos neveicina ķīmija, tie nāk ar unikāliem izaicinājumiem, jo mēs tos pirmo reizi cenšamies pielāgot mikroelektronikai. Galvenais no tiem ir izvietojuma un to elektrisko īpašību mainīgums. Stenforda darbs, kurā aplūkotas tādu ķēžu projektēšana, kuras ņemt vērā šādas mainības, tāpēc ir ārkārtīgi svarīgs solis pareizajā virzienā. "
Stenfordas dizaina pieejai ir divas pārsteidzošas iezīmes, jo tā praktiski nezaudē oglekļa nanocauruļu energoefektivitāti, kā arī ir savietojama ar esošajām ražošanas metodēm un infrastruktūru, virzot tehnoloģiju uz nozīmīgu soli komercializācijas virzienā.
"Šis ir ļoti interesants un radošs darbs. Lai arī priekšā ir daudz sarežģītu izaicinājumu, Wong un Mitra darbs gūst labus panākumus dažu šo problēmu risināšanā," sacīja Bokors.
"Šo pārveidojošo pētījumu vēl daudzsološāku padara fakts, ka tas var eksistēt kopā ar mūsdienu silīcija tehnoloģijām un izmantot mūsdienu ražošanas un sistēmu projektēšanas infrastruktūru, nodrošinot ekonomiskās dzīvotspējas kritisko īpašību," sacīja Betsy Weitzman no Fokusa centra. Pētniecības programma Semiconductor Research Corporation.
Demonstrēšanas iespējas
Tālāk inženieri demonstrēja savu paņēmienu iespējas, izveidojot būtiskas digitāli integrētu sistēmu sastāvdaļas: aritmētiskās shēmas un secīgu glabāšanu, kā arī pirmās monolītās 3D integrētās shēmas ar ārkārtēju integrācijas līmeni.
Stenfordas komandas darbs nesen tika parādīts kā uzaicinātais darbs prestižajā Starptautiskajā elektronu ierīču sanāksmē, kā arī “pamatinoterapeits” 2012. gada aprīļa numurā prestižajā žurnālā IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems.
"Daudzi pētnieki uzskatīja, ka veids, kā dzīvot ar nepilnībām oglekļa nanocauruļu ražošanā, bija, izmantojot dārgas kļūdu novēršanas metodes. Izmantojot gudrus ieskatus, Mitra un Wong ir parādījuši pretējo. Viņu lētās un praktiskās metodes var ievērojami uzlabot oglekļa nanocauruļu ķēdes noturību un panākt tāls ceļš uz oglekļa nanocauruļu shēmu padarīšanu dzīvotspējīgu, "sacīja žurnāla galvenais redaktors Sachin S. Sapatnekar. "Es paredzu lielu lasītāju interesi par rakstu."
Redaktora piezīme:Pētniekus, kas attēloti rakstos Aiz aizkulisēm, ir atbalstījis Nacionālais zinātnes fonds - federālā aģentūra, kuras uzdevums ir finansēt pamata pētījumus un izglītību visās zinātnes un inženierzinātnes jomās. Visi viedokļi, secinājumi un secinājumi vai ieteikumi, kas izteikti šajā materiālā, ir autora viedoklis, un tie ne vienmēr atspoguļo Nacionālā zinātnes fonda uzskatus. Skatiet aizkulišu arhīvu.
Oglekļa nanocauruļu tehnoloģijas sasniegumu sērija pārstāv vismodernākos skaitļošanas un glabāšanas elementus.