Un cip realizat cu nanotuburi de carbon, nu siliciu, marchează o piatră de hotar în calcul

„Silicon Valley” poate fi în curând o denumire greșită.

În interiorul unui nou microprocesor, tranzistoarele – întrerupătoare electronice minuscule care efectuează în mod colectiv calcule – sunt fabricate cu nanotuburi de carbon, mai degrabă decât cu siliciu. Prin conceperea tehnicilor de depășire a defectelor la scară nanometrică care subminează adesea tranzistoarele individuale cu nanotuburi (SN: 7/19/17), cercetătorii au creat primul cip de computer care utilizează mii de aceste comutatoare pentru a rula programe.

Prototipul, descris în 29 august Natură, nu este încă la fel de rapid sau la fel de mic ca dispozitivele comerciale din silicon. Dar cipurile computerizate cu nanotuburi de carbon pot da naștere în cele din urmă la o nouă generație de electronice mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic.

Acesta este „o piatră de hotar foarte importantă în dezvoltarea acestei tehnologii”, spune Qing Cao, un om de știință în materiale de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign, care nu este implicat în lucrare.

Inima fiecărui tranzistor este o componentă semiconductoare, realizată în mod tradițional din siliciu, care poate acționa fie ca un conductor electric, fie ca un izolator. Stările „pornit” și „oprit” ale unui tranzistor, în care curentul trece sau nu prin semiconductor, codifică 1 și 0 ale datelor computerului (SN: 4/2/13). Construind tranzistori de siliciu mai slabi și mai slabi, „obineam să obținem câștiguri exponențiale în calcul în fiecare an”, spune Max Shulaker, inginer electric la MIT. Dar „acum, câștigurile de performanță au început să se stabilească”, spune el. Tranzistoarele de siliciu nu pot deveni mult mai mici și mai eficiente decât sunt deja.

Deoarece nanotuburile de carbon sunt subțiri aproape atomice și transportă atât de bine electricitatea, produc semiconductori mai buni decât siliciul. În principiu, procesoarele cu nanotuburi de carbon ar putea funcționa de trei ori mai repede în timp ce consumă aproximativ o treime din energia predecesorilor lor de siliciu, spune Shulaker. Dar până acum, nanotuburile de carbon s-au dovedit prea capricioase pentru a construi sisteme de calcul complexe.

O problemă este că, atunci când o rețea de nanotuburi de carbon este depusă pe o placă cu cip de computer, tuburile tind să se strângă împreună în bucăți care împiedică tranzistorul să funcționeze. „Este ca și cum ai încerca să construiești o terasă din cărămidă, cu un bolovan uriaș în mijloc”, spune Shulaker. Echipa sa a rezolvat această problemă prin răspândirea nanotuburilor pe un cip, apoi folosind vibrații pentru a scutura ușor pachetele nedorite de pe stratul de nanotuburi.

cip de calculator
Un nou tip de cip de computer (matrice de cipuri pe placă din imaginea de mai sus) conține mii de tranzistori fabricați cu nanotuburi de carbon, mai degrabă decât cu siliciu. Deși prototipurile actuale nu pot concura încă cu cipurile de siliciu pentru dimensiune sau viteză, calculul bazat pe nanotuburi de carbon promite să inaugureze o nouă eră a electronicii și mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic.G. Dealuri et al/Natură 2019

O altă problemă cu care se confruntă echipa este că fiecare lot de nanotuburi de carbon semiconductoare conține aproximativ 0,01% nanotuburi metalice. Deoarece nanotuburile metalice nu pot schimba corect între conductoare și izolatoare, aceste tuburi pot încurca citirea unui tranzistor.

În căutarea unei soluții, Shulaker și colegii au analizat cât de rău au afectat nanotuburile metalice diferite configurații de tranzistori, care efectuează diferite tipuri de operații pe biți de date (SN: 9/10/15). Cercetătorii au descoperit că nanotuburile defecte au afectat funcția unor configurații de tranzistori mai mult decât altele – similar modului în care o literă lipsă poate face unele cuvinte ilizibile, dar le lasă pe altele în mare parte lizibile. Așadar, Shulaker și colegii au proiectat cu atenție circuitele microprocesorului lor pentru a evita configurațiile de tranzistori care au fost cele mai confuze de erorile nanotuburilor metalice.

„Unul dintre cele mai mari lucruri care m-au impresionat la această lucrare a fost inteligența acelui design de circuit”, spune Michael Arnold, un om de știință în materiale de la Universitatea din Wisconsin-Madison, care nu este implicat în lucrare.

Cu peste 14.000 de tranzistori cu nanotuburi de carbon, microprocesorul rezultat a executat un program simplu pentru a scrie mesajul „Bună, lume!” — primul program pe care mulți programatori începători învață să-l scrie.

Microprocesorul cu nanotuburi de carbon recent creat nu este încă pregătit pentru a elimina cipurile de siliciu ca pilon al electronicii moderne. Fiecare are o lungime de aproximativ un micrometru, în comparație cu tranzistoarele de siliciu actuale care au o diametru de zeci de nanometri. Și fiecare tranzistor cu nanotuburi de carbon din acest prototip se poate porni și opri de aproximativ un milion de ori pe secundă, în timp ce tranzistorii de siliciu pot pâlpâi de miliarde de ori pe secundă. Acest lucru pune acești tranzistori cu nanotuburi la egalitate cu componentele din siliciu produse în anii 1980.

Reducerea tranzistorilor cu nanotuburi ar ajuta electricitatea să treacă prin ele cu mai puțină rezistență, permițând dispozitivelor să se pornească și să se oprească mai repede, spune Arnold. Și alinierea nanotuburilor în paralel, mai degrabă decât utilizarea unei rețele orientate aleatoriu, ar putea crește, de asemenea, curentul electric prin tranzistori pentru a crește viteza de procesare.