3D Computer-Chips könnten 1.000 Mal schneller als bestehende

ST. LOUIS – Eine neue Methode der entwerfen und Erstellen von Computer-Chips könnte zu sehr schnellen Verarbeitung mindestens 1.000 Mal schneller als die beste vorhandene Chips in der Lage sind, sagen Forscher.

Die neue Methode, die stützt sich auf Materialien, die Kohlenstoff-Nanoröhren genannt, ermöglicht es Wissenschaftlern, den Chip in drei Dimensionen zu bauen.

Das 3D Design ermöglicht Wissenschaftlern zu verweben Speicher, der Daten und die Anzahl Knirschen Prozessoren in einem winzigen Raum gespeichert werden, sagte Max Shulaker, einer der Designer des Chips und Doktorand in Electrical Engineering an der Stanford University in Kalifornien. [10 Technologien, die Ihr Leben verändern werden]

Verringerung des Abstandes zwischen den beiden Elementen die Zeit drastisch verringern kann, die Computer zu ergreifen, um ihre Arbeit zu tun, sagte Shulaker Sept. 10 hier auf dem "Warten, was?" Technik-Forum, veranstaltet von der Defense Advanced Research Projects Agency, die Forschung Flügel des US-Militärs.

Langsamer Fortschritt

Die unaufhaltsame Fortschritt in der Rechenleistung in den vergangenen 50 Jahren ist vor allem dank der Fähigkeit zu immer kleineren Silikontransistoren, die dreigleisige elektrische Schalter, die die logischen Operationen für Computer zu tun.

Nach Moores Gesetz artikuliert eine grobe Faustregel gilt zuerst von Halbleiter-Forscher Gordon E. Moore im Jahr 1965, die Anzahl der Transistoren auf einem bestimmten Silizium-Chip alle zwei Jahre etwa verdoppeln würde. Getreu seiner Vorhersagen haben Transistoren mit den teensiest Teilen messen nur 5 Nanometer, und die kleinste funktionelle, dass Funktionen nur 7 Nanometer in der Größe immer winzigere bekommen. (Zum Vergleich: eine durchschnittliche menschliche Haarsträhne ist etwa 100.000 Nanometer breit.)

Die Verringerung der Größe, jedoch bedeutet, dass die Quanteneffekte Teilchen in diesem Maßstab ihrer Funktionsweise stören könnten. Daher, es wahrscheinlich ist, dass das Moore'sche Gesetz innerhalb der nächsten 10 Jahre zu einem Ende kommen wird, sagen Experten. Darüber hinaus kann schrumpfende Transistoren bis zum bitteren Ende um Computer schneller zu machen nicht viel.

Lange Zeit pendeln

Das größte Hindernis für die schnelleren Computern nicht Prozessor-Geschwindigkeit, aber ein Speicherproblem kennzeichnen, sagte Shulaker.

Big Data-Analyse muss der Computer einige winzige Stück Daten von einigen bisher unbekannten Ort in wirklich erstaunliche Funde von Daten ziehen. Dann muss der Computer diese Informationen über ein elektrisches Signal hin und her über die (relativ) großen Zoll Draht zwischen den Arbeitsspeicher des Computers (in der Regel eine Festplatte) und die Prozessoren, mit Blick auf die Speed Bump des elektrischen Widerstandes entlang der gesamten Strecke shuttle. [Super-intelligenten Maschinen: 7 Roboter Futures]

"Wenn Sie versuchen, die auf Ihrem Computer ausgeführt, Sie mehr als 96 Prozent der vorerst nur im Leerlauf, verbringen würde absolut nichts zu tun," sagte Shulaker. "Bist du eine enorme Menge an Energie verschwenden." Während die Central Processing Unit (CPU) eine Dateneinheit wartet, die hin-und Rückreise aus dem Speicher zu machen, ist zum Beispiel der Computer noch macht, Beschlag, obwohl es keine Sache berechnet.

Lösungszeit der Gedächtnis-CPU "pendeln," ist jedoch schwierig. Die beiden Komponenten können nicht in der gleichen Wafer eingesetzt werden, da Silizium-basierten Wafern auf etwa 1.800 Grad Fahrenheit (1.000 Grad Celsius), erhitzt werden müssen, während viele der Metallelemente in Festplatten (oder solid-State-Laufwerke) bei diesen Temperaturen schmelzen Shulaker sagte.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Zu umgehen dieses Problem, Shulaker und seine Berater an der Stanford University, Subhasish Mitra und H.-S. Philip Wong, schaute zu einem ganz anderen Material: Kohlenstoff-Nanoröhren oder winzigen Netz Ruten aus Kohlenstoffatomen, die bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden können. Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) haben elektrische Eigenschaften ähnlich denen von konventionellen Silizium-Transistoren.

In einem Kopf an Kopf Wettbewerb zwischen einem Silizium-Transistor und ein CNT-Transistor "Hände nach unten, würde die CNT gewinnen," sagte Shulaker Leben Wissenschaft. "Es wäre eine bessere Transistor; Es kann schneller gehen; Es verbraucht weniger Energie."

Kohlenstoff-Nanoröhrchen wächst jedoch in einer ungeordneten Weise "ähnlich einer Schüssel Spaghetti," das ist nicht gut für die Herstellung von Schaltungen, Shulaker sagte. Als solche entwickelten die Forscher eine Methode zur Nanoröhren in schmalen Rillen, wachsen die Nanoröhren in Ausrichtung zu leiten.

Aber es gab eine weitere Hürde. Während 99,5 Prozent von den Nanotubes ausgerichtet werden, werden ein paar Nachzügler noch out of Position. Um dieses Problem zu lösen, herausgefunden die Forscher, dass Bohrlöcher an manchen Stellen innerhalb der Chip kann auch ein Chip mit eigensinnigen Röhren funktionieren würde, wie erwartet.

Ein weiteres Problem ist, dass während die meisten CNTs haben die Eigenschaften eines Halbleiters (wie Silikon), ein paar handeln wie ein gewöhnlicher leitfähige Metall mit keine Möglichkeit, vorherzusagen, welche Rohre schlecht benehmen werden. Diese paar leitfähige Rohre können einen ganzen Chip ruinieren, und haben auch nur einen Bruchteil der Chips werfen würde Sinn machen, finanzielle, Shulaker hinzugefügt. Als ein Mittel, Shulaker und seine Kollegen im Wesentlichen "alle halbleitenden CNTs, riesige Stöße des Stromes durch die verbleibenden Durchführung von Nanoröhren zirkulieren lassen deaktivieren". Der hohe Strom erwärmt sich und bricht nur die Durchführung von Nanoröhren, welcher Schlag wie Nano-Maßstab Sicherungen, Shulaker sagte.

Im Jahr 2013 gebaut das Team einen CNT-Computer, die sie in der Fachzeitschrift Nature beschrieben. Dieser Computer war jedoch langsam und sperrig, mit relativ wenigen Transistoren.

Jetzt haben sie ein System für Stapel Speicher und Transistor Schichten, mit winzigen Drähten verbinden die beiden geschaffen. Das neue 3D Design hat die Transitzeit zwischen Transistor und Speicher gekürzt, und die daraus resultierende Architektur kann blitzschnell Compute Geschwindigkeiten bis zu 1.000 Mal schneller als sonst möglich wäre, sagte Shulaker produzieren. Mit der neuen Architektur, baute das Team eine Vielzahl von Sensor-Wafer, die alles von Infrarot-Licht gegen bestimmte Chemikalien in der Umwelt erkennen kann.

Im nächste Schritt soll das System weiter, skalieren, um noch größere, komplizierter Chips machen.

Folgen Sie Tia Ghose auf Twitter und Google + . Folgen Sie Leben-Wissenschaft @livescience , Facebook & Google + .