Prestiżowy magazyn Nature w sierpniu opublikował artykuł opisujący technologię konstrukcji mikroprocesora zbudowanego całkowicie w oparciu o nanorurki węglowe. Rodzi się więc pytanie – czy nadchodzi wielka zmiana? Czy technologie krzemowe, to już przeszłość? Czy przyszłe układy elektroniczne będą zbudowane z nanorurek, czy nadal z krzemu? Komentuje dr hab. Paweł Kowalczyk, prof. UŁ z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ.
Czy technologie krzemowe to już przeszłość? Nadchodzi wielka zmiana?
Niestety nie ma pewnej odpowiedzi na te pytania. Z dzisiejszym rozwojem technologii jest trochę tak jak z biologiczną ewolucją. Pojawia się wiele form, ale te najlepsze wygrywają. Tak samo jest we współczesnym przemyśle – to co przynosi największy zysk i to czego chcą ludzie wygrywa. Wielki sukces krzemu i elektroniki budowanej w oparciu o krzem polegał na opracowaniu technologii wytwarzania zintegrowanych układów scalonych.
Pierwszym komputerem, w którym wykorzystano tę technologię był AGC – komputer pokładowy w misjach księżycowych Apollo, który zbudowany był w oparciu o układy scalone złożone z 6 tranzystorów. Wtedy w latach 50-tych 20 wieku technologia krzemowa pokonała technologię germanową. Jak twierdził jeden z ojców technologii krzemowej – piasek jest wszędzie i jest tani. Jednak wraz ze wzrostem skali integracji układów scalonych powoli zbliżamy się do granicy możliwości wykorzystania krzemu do konstrukcji coraz mniejszych tranzystorów.
Problem ten znany jest, jako prawo Moore’a – według którego wzrost ilości tranzystorów w układach scalonych ulega podwojeniu co dwa lata. Ponieważ, rozmiary układów scalonych pozostają takie same więc oznacza to zmniejszanie się powierzchni zajmowanej przez tranzystor. Oczywiste jest, że nie da się tego robić w nieskończoność i przy skali integracji sięgającej miliardów tranzystorów, z jaką mamy do czynienia współcześnie – niestety zbliżamy się do tej granicy.
Czy w takim układzie rozwiązaniem są układy scalone zbudowane z węgla?
Badacze z amerykańskiej uczelni MIT pokazali, że jest taka szansa. Udało się im skonstruować 16 bitowy procesor zbudowany z ponad 14 tysięcy tranzystorów działających na bazie półprzewodzących nanorurek węglowych. Procesor posiada architekturę RISC i pracuje w oparciu o zestaw instrukcji implementowany przez otwarty standard RISC-V. Procesor zasilany jest napięciem 1.8V i jest w stanie wykonywać programy komputerowe analogiczne do procesorów zbudowanych w oparciu o krzem. Jako przykład badacze zademonstrowali program generujący ciąg znaków: „Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs”.
Dlaczego nanorurki węglowe miałyby być lepsze od krzemu?
Nanorurki są bardzo małe – mają średnicę 1-2 nm a długości mikrometrów. Na jednej takiej nanorurce można zbudować wiele tranzystorów. Niewątpliwą więc zaletą jest dalsza miniaturyzacja. Poza tym nanorurki doskonale odprowadzają ciepło. Czy nie fajnie byłoby mieć komputery lub telefony, które praktycznie się nie grzeją? Tranzystory z nanorurek powinny również działać kilka razy szybciej niż układy krzemowe, a także pobierać kilka razy mniej energii.
Co więcej nanorurki są elastyczne a tym samym można będzie budować urządzenia, które da się zginać, skręcać a również składać. I w końcu ze względu na małe rozmiary dość słabo pochłaniają światło, a tym samym istnieje szansa na konstrukcję przezroczystych tranzystorów i transparentną elektronikę.
Czy w najbliższym czasie będziemy używać telefonów z nanorurek?
Nie wiem. Wydaje się że zmiana w technologii jest nieunikniona. Niewątpliwie era krzemu dobiega końca. Być może więc następnym wielkim zwycięzcą okażą się nanorurki węglowe, a może będzie to grafen inny przedstawiciel rodziny węglowej. Niewątpliwie działający procesor nanorurkowy oraz technologia wytwarzania takich procesorów w oparciu o istniejące linie produkcyjne jest ogromnym krokiem milowym pokazującym, że istnieją alternatywy w stosunku do elektroniki krzemowej.
Czy na UŁ badaliśmy nanorurki węglowe albo inne materiały węglowe?
Oczywiście, że tak! Prace nad materiałami węglowymi zapoczątkował profesor Zbigniew Klusek kierownik Katedry Fizyki Ciała Stałego na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej. Wraz z nim jeszcze w latach 90-tych rozpoczęliśmy badania nanorurek węglowych. W tamtym czasie była to bardzo nowatorska tematyka, gdyż nanorurki oficjalnie odkryte zostały w 1991 roku przez Sumio Iijima i właściwie zapoczątkowały rozwój nanotechnologii – czyli badania i wykorzystywania nanomateriałów do zastosowań przemysłowych. Na przestrzeni lat zainteresowania naszego zespołu badawczego uległy poszerzeniu i oprócz nanorurek węglowych obecnie zajmujemy się badaniami grafenu, jego pochodnych oraz innymi materiałami dwuwymiarowymi. Można więc powiedzieć, że tematyka ta jest w zakresie naszych zainteresowań przez ostatnie 25 lat. Tym bardziej doniesienie o konstrukcji działającego 16 bitowego układu scalonego jest dla nas niezmiernie ekscytującą nowiną.
materiał źródłowy: dr hab. Paweł Kowalczyk, prof. UŁ (WFiIS UŁ)
redakcja: Centrum Promocji UŁ
grafika: Pixabay