Một con chip được làm bằng ống nano carbon, không phải silicon, đánh dấu một cột mốc điện toán

Thung lũng Silicon Thung lũng có thể sớm trở thành một tên gọi sai.

Bên trong một bộ vi xử lý mới, các bóng bán dẫn - các công tắc điện tử nhỏ thực hiện tính toán chung - được chế tạo bằng ống nano carbon, thay vì silicon. Bằng cách nghĩ ra các kỹ thuật để khắc phục các khiếm khuyết ở quy mô nano thường làm suy yếu các bóng bán dẫn ống nano riêng lẻ (SN: 7/19/17), các nhà nghiên cứu đã tạo ra chip máy tính đầu tiên sử dụng hàng ngàn công tắc này để chạy các chương trình.

Nguyên mẫu, được mô tả trong Bản chất ngày 29 tháng 8, chưa nhanh hoặc nhỏ như các thiết bị silicon thương mại. Nhưng chip máy tính ống nano carbon cuối cùng có thể tạo ra một thế hệ mới của các thiết bị điện tử nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.

Đây là một cột mốc rất quan trọng trong sự phát triển của công nghệ này, anh nói, Qing Cao, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học Illinois tại Urbana-Champaign không tham gia vào công việc.

Trái tim của mỗi bóng bán dẫn là một thành phần bán dẫn, truyền thống được làm từ silicon, có thể hoạt động giống như một dây dẫn điện hoặc một chất cách điện. Một bóng bán dẫn có dòng chữ trên các dòng điện tử và trên mạng và các dòng điện tử, trong đó dòng điện có chảy qua chất bán dẫn hay không, mã hóa dữ liệu máy tính 1 và 0 (SN: 4/2/13). Bằng cách xây dựng các bóng bán dẫn silicon gọn hơn, trung bình hơn, chúng tôi đã từng đạt được mức tăng theo cấp số nhân trong điện toán mỗi năm, theo chuyên gia Max Shulaker, một kỹ sư điện tại MIT. Nhưng giờ đây, mức tăng hiệu suất đã bắt đầu chững lại, ông nói. Các bóng bán dẫn silicon có thể được get nhỏ hơn và hiệu quả hơn nhiều so với trước đây.

Bởi vì ống nano carbon gần như nguyên tử mỏng và điện phà rất tốt, chúng tạo ra chất bán dẫn tốt hơn silicon. Về nguyên tắc, các bộ xử lý ống nano carbon có thể chạy nhanh hơn ba lần trong khi tiêu thụ khoảng một phần ba năng lượng của người tiền nhiệm silicon của họ, Shulaker nói. Nhưng cho đến nay, các ống nano carbon đã tỏ ra quá tinh vi để xây dựng các hệ thống máy tính phức tạp.

Một vấn đề là, khi một mạng lưới ống nano carbon được đặt vào một tấm wafer chip máy tính, các ống có xu hướng tụ lại thành từng cục khiến cho bóng bán dẫn không hoạt động. Nó có nghĩa là cố gắng xây dựng một sân gạch, với một tảng đá khổng lồ ở giữa nó, giáo sư Shulaker nói. Nhóm của ông đã giải quyết vấn đề đó bằng cách rải các ống nano trên một con chip, sau đó sử dụng các rung động để lắc nhẹ các bó không mong muốn khỏi lớp ống nano.

A new kind of computer chip (array of chips on the wafer pictured above) contains thousands of transistors made with carbon nanotubes, rather than silicon. Although the current prototypes can’t compete with silicon chips for size or speed yet, carbon nanotube-based computing promises to usher in a new era of even faster, more energy-efficient electronics.G. HILLS ET AL/NATURE 2019

Một vấn đề khác mà nhóm nghiên cứu gặp phải là mỗi lô ống nano carbon bán dẫn chứa khoảng 0,01% ống nano kim loại. Vì các ống nano kim loại có thể chuyển đổi đúng cách giữa dẫn điện và cách điện, nên các ống này có thể làm rối loạn quá trình đọc bóng bán dẫn.

Khi tìm kiếm công việc, Shulaker và các đồng nghiệp đã phân tích các ống nano kim loại ảnh hưởng xấu đến các cấu hình bóng bán dẫn khác nhau, thực hiện các loại hoạt động khác nhau trên các bit dữ liệu (SN: 10/9/15). Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các ống nano bị lỗi ảnh hưởng đến chức năng của một số cấu hình bóng bán dẫn hơn các cấu hình bóng bán dẫn khác - tương tự như cách một chữ cái bị thiếu có thể khiến một số từ không thể đọc được, nhưng lại khiến những người khác hầu như có thể đọc được. Vì vậy, Shulaker và các đồng nghiệp đã cẩn thận thiết kế mạch của bộ vi xử lý của họ để tránh các cấu hình bóng bán dẫn bị nhầm lẫn nhiều nhất bởi các trục trặc ống nano kim loại.

Một trong những điều lớn nhất khiến tôi ấn tượng về bài báo này là sự thông minh trong thiết kế mạch điện đó, Martin nói, Michael Arnold, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học Wisconsin Wisconsin Madison không tham gia vào công việc.

Với hơn 14.000 bóng bán dẫn ống nano carbon, bộ vi xử lý kết quả đã thực hiện một chương trình đơn giản để viết tin nhắn, Hello Hello, world !iết - chương trình đầu tiên mà nhiều lập trình viên máy tính mới học viết.

Bộ vi xử lý ống nano carbon mới được đúc chưa sẵn sàng để tháo các chip silicon là sản phẩm chủ lực của thiết bị điện tử hiện đại. Mỗi cái có kích thước khoảng một micromet, so với các bóng bán dẫn silicon hiện tại có chiều dài hàng chục nanomet. Và mỗi bóng bán dẫn ống nano carbon trong nguyên mẫu này có thể bật và tắt khoảng một triệu lần mỗi giây, trong khi các bóng bán dẫn silicon có thể nhấp nháy hàng tỷ lần mỗi giây. Điều đó đặt các bóng bán dẫn ống nano này ngang hàng với các thành phần silicon được sản xuất vào những năm 1980.

Việc thu nhỏ các bóng bán dẫn ống nano sẽ giúp dòng điện xuyên qua chúng với ít điện trở hơn, cho phép các thiết bị bật và tắt nhanh hơn, Arnold nói. Và việc sắp xếp song song các ống nano, thay vì sử dụng lưới định hướng ngẫu nhiên, cũng có thể tăng dòng điện qua các bóng bán dẫn để tăng tốc độ xử lý.