Инженеры из Стэнфорда создали вычислительное устройство на основе углеродных нанотрубок. Этот полупроводниковый материал открывает перспективы разработки нового поколения электронных устройств, которые будут работать быстрее и с меньшими затратами энергии, чем изготовленные с использованием кремниевых чипов.

Иллюстрация, основанная на микрофотографии фрагмента микросхемы, при изготовлении которой вместо кремниевых транзисторов использованы углеродные нанотрубки.
Макс Шулэйкер, один из авторов работы, держит полупроводниковую пластину, ставшую основой для первого в мире УНТ-компьютера.

Исследователи со всего мира на протяжении нескольких лет искали способ применения углеродных нанотрубок для создания вычислительных устройств. Эксперты считают, что достижение исследовательской группы из Стэнфорда должно подтолкнуть ученых к важному решению — чем заменить кремниевые чипы, которые уже приблизились к физическому пределу миниатюризации?

«Углеродные нанотрубки (УНТ) давно рассматриваются в качестве преемников кремниевых транзисторов», — говорит профессор Жан Рабаи, эксперт по электронным схемам и системам. Но никто не мог сказать наверняка, оправдают ли УНТ эти ожидания.

«Несомненно, работа привлечет внимание исследователей, занимающихся полупроводниками, и побудит их к дальнейшим исследованиям, которые могут привести к созданию меньших по размерам и более энергоэффективных процессоров в следующем десятилетии», — сказал Рабаи.

Еще 15 лет назад исследователям удалось заставить УНТ выполнять роль транзисторов. Но многочисленные трудности сводили на нет все попытки построить более или менее сложную схему на их основе.

Команда из Стэнфордского университета, во‑первых, разработала эффективный процесс изготовления микросхем на основе УНТ, а во вторых, заставила такую схему работать.

На протяжении десятилетий прогресс в электронике сопровождался уменьшением размера отдельных транзисторов и увеличением их числа на чипе. Но при этом растет энергопотребление и количество выделяемого тепла. Многие исследователи полагают, что в скором времени развитие электроники перестанет идти по закону Мура.

Углеродные нанотрубки чрезвычайно эффективны, когда речь идет о проводимости или управлении электронными состояниями. Для переключения состояний УНТ нужно затратить гораздо меньше энергии, чем при работе с кремниевыми транзисторами. Но непростой «характер» углеродных нанотрубок мешал инженерам сделать напрашивающийся шаг в будущее.

Во‑первых, УНТ не желали выстраиваться в аккуратные параллельные линии, как того хотелось производителям микрочипов. Со временем ученые заставили 99,5% углеродных нанотрубок расти прямо. Но на чипе с миллиардами нанотрубок даже крошечное смещение может привести к ошибкам в работе, так что проблема актуальна до сих пор. Во‑вторых, в зависимости от условий, при которых растут нанотрубки, некоторые из них могут вести себя как проводники, а не как полупроводники. Ориентируясь на массовое производство, исследователи должны были найти эффективные методы борьбы с «кривыми» и «металлическими» нанотрубками, при которых дефектные УНТ не пришлось бы искать на чипе, как иголку в стоге сена.

Чтобы избавиться от «металлических» нанотрубок, разработчики переключили все полупроводниковые УНТ в непроводящее состояние, а «металлические» УНТ, не способные на такое переключение, буквально испарились, стоило лишь приложить высокое напряжение.

Избавиться от «кривых» УНТ было бы сложнее, поэтому исследователи разработали специальное программное обеспечение, которое позволяет спроектировать схему так, чтобы случайным образом проявившееся искривление УНТ не приводило к ошибкам в работе.

Исследователи использовали данную технологию, обладающую «иммунитетом к недостаткам», чтобы построить чип со 178 транзисторами — большего было трудно добиться на университетском оборудовании. Однако эта простая схема доказала свою эффективность. Например, она способна выполнять функции счетчика и сортировку целых чисел, причем простейшая операционная система позволяет переключаться между этими двумя задачами. Также разработчики продемонстрировали, что их УНТ-компьютер может работать с набором команд MIPS, разработанным в 1980-х годах.

Возможно, технологии потребуются годы на развитие, прежде чем она воплотится в каких-либо коммерческих образцах, но ученые сделали важный шаг на пути к промышленному производству электронных устройств на основе углеродных нанотрубок.

По сообщению PhysOrg