Kohlenstoff-Nanoröhren ermöglichen höchst energieeffizientes Computing

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Miniaturisierung ist der wichtigste Treiber der Halbleiterindustrie und die größte Herausforderung für die weitere Miniaturisierung von elektronischen Systemen Energieeffizienz ist.

"Im Vorfeld der ultimativen Grenzen des Mooreschen Gesetzes jedoch Silizium ersetzt werden, um weiteren Miniaturisierung", sagte Jeffrey Bokor des Lawrence Berkeley National Laboratory und die University of California, Berkeley.

Zu diesem Zweck sind Kohlenstoff-Nanoröhren eine deutliche Abkehr von traditionellen Siliziumtechnologien und einen vielversprechenden Weg zur Lösung der Verbesserung der Energieeffizienz in Computer-Schaltungen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind zylindrische Nanostrukturen aus Kohlenstoff mit außergewöhnlich guten elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften. Nanotube Stromkreise konnte eine Verbesserung der Größenordnung im Bereich der Energieeffizienz über herkömmliche Silizium-Technologie zur Verfügung.

Als die ersten rudimentären Nanotube Transistoren 1998 gezeigt wurden, stellte Forscher ein neues Zeitalter der hocheffizienten, fortgeschrittene Computer Elektronik. Dieses Versprechen muss allerdings noch durch erhebliche materielle Mängel inhärent Nanoröhren realisiert werden, die Ingenieure gefragt, ob Kohlenstoff-Nanoröhren überhaupt lebensfähig erweisen werden hinterlassen haben.

In den letzten paar Jahren, aber ein Team von Stanford engineering Professoren, Doktoranden, Diplomanden und Praktikanten High School, unter der Leitung von Professoren Subhasish Mitra und H.-S. Philip Wong, nahm die Herausforderung. Ihre Arbeit hat produziert eine Reihe von Durchbrüchen, die die am weitesten fortgeschrittene computing darstellen und Speicherelemente noch mit Kohlenstoff-Nanoröhren erstellt.

Hartnäckige Herausforderungen

Diese qualitativ hochwertige, robuste Nanotube Stromkreise sind immun gegen die hartnäckigen und lähmenden materielle Mängel, die Forscher für mehr als zehn Jahren eine schwierige Hürde ratlos sind, die die weitere Verbreitung der Nanotube Stromkreise in der Industrie verhindert hat. Der Vorschuss stellt einen großen Meilenstein in Richtung Forscher "sehr groß angelegte integrierte Systeme nennen" auf Basis von Nanoröhren.

"Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren begeisterte die Forschungsgemeinschaft mit ihren hervorragenden elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften vor über einem Jahrzehnt, aber dieser jüngsten Arbeiten an der Stanford University lieferte den ersten Einblick in ihre Lebensfähigkeit zu Silizium-CMOS-Transistoren, ergänzen", sagte Larry Pileggi, Professor für elektrische und Computertechnik an der Carnegie Mellon University.

Während im Laufe der Jahre es bedeutende Errungenschaften in Carbon Nanotube Stromkreise gab, haben sie meist auf Single-Nanotube Ebene kommen.

Mindestens zwei Hürden verbleiben, bevor Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Technologien der praktischen Auswirkungen nutzbar gemacht werden können. Erstens muss die Verarbeitung nahezu perfekte Ausrichtung von Nanotubes erreichen. Falsch ausgerichtete Nanotubes einzuführen schädlich, streunenden, Durchführung von Pfaden und fehlerhafte Funktionalität in den Schaltungen. Zweitens müssen Ingenieure metallischen Kohlenstoff-Nanoröhren (im Gegensatz zu wünschenswerter halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren) aus der Schaltungen beseitigen. Metallische Kohlenstoff-Nanoröhrchen führen zu Kurzschlüssen, übermäßige Verlustleistung und Anfälligkeit für Schaltung Lärm. Kein Carbon Nanotube Synthese Technik hat noch ausschließlich halbleitenden Nanotubes produziert.

Umgehung von Hindernissen

Erkenntnis, dass bessere Prozesse allein niemals diese Unvollkommenheiten überwunden werden, umgangen die Stanford-Ingenieure die Barrieren mit einem einzigartigen Unvollkommenheit-immun-Design. Sie haben die ersten voll-Wafer-Skala Digitallogik Strukturen basierend auf Kohlenstoff-Nanoröhren, die beeinflußt werden durch falsch und falsch positionierte Nanotubes produziert. Darüber hinaus haben sie die Herausforderungen von metallischen Carbonnanotubes mit der Erfindung einer Technik, diese unerwünschte Elemente aus ihren Schaltungen entfernen gerichtet.

"Carbon Nanotube Transistoren attraktiv aus vielen Gründen als Grundlage für dichten, energieeffiziente integrierte Schaltungen in der Zukunft", sagte Supratik Guha, Leiter des Fachbereichs Physik an der IBM Thomas J. Watson Research Center. "Aber, aus Chemie getragen wird, kehren sie mit einzigartigen Herausforderungen wie wir versuchen, sie zum ersten Mal in Mikroelektronik anzupassen. Leiter unter ihnen ist die Variabilität in ihre Position und ihre elektrischen Eigenschaften. Das Stanford-Werk, das sieht bei der Gestaltung von Schaltungen, die berücksichtigt werden solche Variabilität ist daher ein äußerst wichtiger Schritt in die richtige Richtung. "

Das Konzept des Stanford Design hat zwei markante Merkmale, dass es praktisch keine der Kohlenstoff-Nanoröhren Energieeffizienz opfert und auch kompatibel mit bestehenden Herstellungsmethoden und Infrastruktur ist, schieben der Technologie einen wichtigen Schritt in Richtung zur Kommerzialisierung.

"Das ist sehr interessant und kreativ arbeiten. Zwar gibt es viele schwierige Aufgaben vor uns, die Arbeit von Wong und Mitra gute Fortschritte bei der Lösung einiger dieser Probleme macht", sagte Bokor.

"Dieser transformative Forschung ist umso mehr verspricht durch die Tatsache, dass es mit heutigen Mainstream-Silizium-Technologien koexistieren und Nutzen der heutigen Fertigung und Design Systeminfrastruktur, bietet die wichtige Funktion der Wirtschaftlichkeit, kann", sagte Betsy Weitzman im Fokus Center Research Program bei der Semiconductor Research Corporation.

Demonstration der Möglichkeiten

Die Ingenieure weiter demonstriert die Möglichkeiten ihrer Techniken durch die Schaffung der wesentlichen Komponenten des integrierten Digitalsysteme: arithmetische Schaltungen und sequentielle Speicherung sowie die ersten monolithischen 3D integrierten Schaltungen mit extremen Niveaus der Integration.

Die Stanford Teamarbeit wurde vor kurzem als eine geladene Papier Tagung des renommierten International Electron Geräte sowie ein "Keynote-Papier" in der Ausgabe April 2012 der renommierten Zeitschrift IEEE Transactions auf Computer-Aided Design von integrierten Schaltungen und Systeme vorgestellt.

"Viele Forscher davon ausgegangen, dass der Weg mit Unvollkommenheiten in der Carbon Nanotube Produktion Leben durch teure Fehlertoleranz Techniken. Durch kluge Erkenntnisse zeigten ansonsten Mitra und Wong. Ihre preiswerte und praktische Methoden können erheblich verbessern Carbon Nanotube Stromkreis Robustheit und gehen einen langen Weg in Richtung macht Carbon Nanotube Stromkreise lebensfähig,", sagte Sachin S. Sapatnekar, Chefredakteur der Zeitschrift. "Ich erwarte hohe Leser Interesse an dem Papier."

Anmerkung der Redaktion: Dargestellt, die Forscher in Behind the Scenes Artikel von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt wurden. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.