A chip made with carbon nanotubes, not silicon, marks a computing milestone / Un chip realizzato con nanotubi di carbonio, non silicio, segna una pietra miliare informatica
A chip made with carbon nanotubes, not silicon, marks a computing milestone / Un chip realizzato con nanotubi di carbonio, non silicio, segna una pietra miliare informatica
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
The sun may be setting on silicon. Now, computer chips made with carbon nanotubes (one pictured) are the up-and-comers. /
G. HILLS ET AL/NATURE 2019
The prototype could give rise to a new generation of faster, more energy-efficient electronics / Il sole potrebbe tramontare sul silicio. Ora, i chip per computer realizzati con nanotubi di carbonio (uno nella foto) sono i promettenti
“Silicon Valley” may soon be a misnomer.
Inside a new microprocessor, the transistors — tiny electronic switches that collectively perform computations — are made with carbon nanotubes, rather than silicon. By devising techniques to overcome the nanoscale defects that often undermine individual nanotube transistors (SN: 7/19/17), researchers have created the first computer chip that uses thousands of these switches to run programs.
The prototype, described in the Aug. 29 Nature, is not yet as speedy or as small as commercial silicon devices. But carbon nanotube computer chips may ultimately give rise to a new generation of faster, more energy-efficient electronics.
This is “a very important milestone in the development of this technology,” says Qing Cao, a materials scientist at the University of Illinois at Urbana-Champaign not involved in the work.
The heart of every transistor is a semiconductor component, traditionally made of silicon, which can act either like an electrical conductor or an insulator. A transistor’s “on” and “off” states, where current is flowing through the semiconductor or not, encode the 1s and 0s of computer data (SN: 4/2/13). By building leaner, meaner silicon transistors, “we used to get exponential gains in computing every single year,” says Max Shulaker, an electrical engineer at MIT. But “now performance gains have started to level off,” he says. Silicon transistors can’t get much smaller and more efficient than they already are.
Because carbon nanotubes are almost atomically thin and ferry electricity so well, they make better semiconductors than silicon. In principle, carbon nanotube processors could run three times faster while consuming about one-third of the energy of their silicon predecessors, Shulaker says. But until now, carbon nanotubes have proved too finicky to construct complex computing systems.
One issue is that, when a network of carbon nanotubes is deposited onto a computer chip wafer, the tubes tend to bunch together in lumps that prevent the transistor from working. It’s “like trying to build a brick patio, with a giant boulder in the middle of it,” Shulaker says. His team solved that problem by spreading nanotubes on a chip, then using vibrations to gently shake unwanted bundles off the layer of nanotubes.
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. / Un nuovo tipo di chip per computer (array di chip sul wafer nella foto sopra) contiene migliaia di transistor realizzati con nanotubi di carbonio, piuttosto che con silicio. Sebbene gli attuali prototipi non possano ancora competere con i chip di silicio per dimensioni o velocità, il computing basato su nanotubi di carbonio promette di inaugurare una nuova era di elettronica ancora più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico.G. HILLS ET AL/NATURE 2019
Another problem the team faced is that each batch of semiconducting carbon nanotubes contains about 0.01 percent metallic nanotubes. Since metallic nanotubes can’t properly flip between conductive and insulating, these tubes can muddle a transistor’s readout.
In search of a work-around, Shulaker and colleagues analyzed how badly metallic nanotubes affected different transistor configurations, which perform different kinds of operations on bits of data (SN: 10/9/15). The researchers found that defective nanotubes affected the function of some transistor configurations more than others — similar to the way a missing letter can make some words illegible, but leave others mostly readable. So Shulaker and colleagues carefully designed the circuitry of their microprocessor to avoid transistor configurations that were most confused by metallic nanotube glitches.
“One of the biggest things that impressed me about this paper was the cleverness of that circuit design,” says Michael Arnold, a materials scientist at the University of Wisconsin–Madison not involved in the work.
With over 14,000 carbon nanotube transistors, the resulting microprocessor executed a simple program to write the message, “Hello, world!” — the first program that many newbie computer programmers learn to write.
The newly minted carbon nanotube microprocessor isn’t yet ready to unseat silicon chips as the mainstay of modern electronics. Each one is about a micrometer across, compared with current silicon transistors that are tens of nanometers across. And each carbon nanotube transistor in this prototype can flip on and off about a million times each second, whereas silicon transistors can flicker billions of times per second. That puts these nanotube transistors on par with silicon components produced in the 1980s.
Shrinking the nanotube transistors would help electricity zip through them with less resistance, allowing the devices to switch on and off more quickly, Arnold says. And aligning the nanotubes in parallel, rather than using a randomly oriented mesh, could also increase the electric current through the transistors to boost processing speed.
ITALIANO
"Silicon Valley" potrebbe presto essere un termine improprio.
All'interno di un nuovo microprocessore, i transistor - piccoli interruttori elettronici che eseguono collettivamente calcoli - sono realizzati con nanotubi di carbonio, piuttosto che con silicio. Elaborando tecniche per superare i difetti su nanoscala che spesso minano i singoli transistor di nanotubi (SN: 19/07/17), i ricercatori hanno creato il primo chip di computer che utilizza migliaia di questi switch per eseguire programmi.
Il prototipo non è ancora così veloce o piccolo come i dispositivi commerciali in silicio. Ma i chip per nanotubi di carbonio potrebbero alla fine dare origine a una nuova generazione di elettronica più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico.
Questa è "una pietra miliare molto importante nello sviluppo di questa tecnologia", afferma Qing Cao, scienziato dei materiali dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign non coinvolto nel lavoro.
Il cuore di ogni transistor è un componente a semiconduttore, tradizionalmente realizzato in silicio, che può agire come un conduttore elettrico o un isolante. Gli stati "on" e "off" di un transistor, in cui la corrente fluisce attraverso il semiconduttore o meno, codificano l'1 e lo 0 dei dati del computer (SN: 4/2/13). Costruendo transistor di silicio più snelli "ottenevamo guadagni esponenziali nel calcolo ogni singolo anno", afferma Max Shulaker, ingegnere elettrico presso il MIT. Ma "ora i miglioramenti delle prestazioni hanno iniziato a stabilizzarsi", afferma. I transistor al silicio non possono diventare molto più piccoli ed efficienti di quanto non siano già.
Poiché i nanotubi di carbonio sono quasi atomicamente sottili e trasportano l'elettricità così bene, producono semiconduttori migliori del silicio. In linea di principio, i processori di nanotubi di carbonio potrebbero funzionare tre volte più velocemente consumando circa un terzo dell'energia dei loro predecessori al silicio, afferma Shulaker. Ma fino ad ora, i nanotubi di carbonio si sono rivelati troppo delicati per costruire sistemi di elaborazione complessi.
Un problema è che, quando una rete di nanotubi di carbonio viene depositata su un wafer di chip per computer, i tubi tendono a raggrupparsi in grumi che impediscono al transistor di funzionare. È "come cercare di costruire un edificio in mattoni, con un masso gigante nel mezzo", dice Shulaker. Il suo gruppo ha risolto il problema diffondendo i nanotubi su un chip, quindi usando le vibrazioni per scuotere delicatamente i fasci indesiderati dallo strato di nanotubi.
Un altro problema che il gruppo ha dovuto affrontare è che ogni lotto di nanotubi di carbonio a semiconduttore contiene circa lo 0,01 percento di nanotubi metallici. Poiché i nanotubi metallici non possono alternare correttamente tra conduttori e isolanti, questi tubi possono confondere la lettura di un transistor.
Alla ricerca di una soluzione, Shulaker e colleghi hanno analizzato il modo in cui i nanotubi metallici hanno influenzato in modo negativo le diverse configurazioni dei transistor, che eseguono diversi tipi di operazioni su bit di dati. I ricercatori hanno scoperto che i nanotubi difettosi hanno influenzato la funzione di alcune configurazioni di transistor più di altre - in modo simile al modo in cui una lettera mancante può rendere alcune parole illeggibili, ma lasciarne altre leggibili. Quindi Shulaker e colleghi hanno progettato con cura i circuiti del loro microprocessore per evitare le configurazioni di transistor più confuse dai problemi tecnici dei nanotubi metallici.
"Una delle più grandi cose che mi hanno colpito di questo documento è stata la genialità del design di quel circuito", afferma Michael Arnold, uno scienziato dei materiali dell'Università del Wisconsin-Madison non coinvolto nel lavoro.
Con oltre 14.000 transistor a nanotubi di carbonio, il microprocessore risultante ha eseguito un semplice programma per scrivere il messaggio "Hello, world!" - il primo programma che molti programmatori di computer principianti imparano a scrivere.
Il microprocessore a nanotubo di carbonio appena coniato non è ancora pronto a disinserire i chip di silicio come pilastro dell'elettronica moderna. Ciascuno ha un diametro di circa un micrometro, rispetto agli attuali transistor al silicio che sono decine di nanometri. E ogni transistor di nanotubi di carbonio in questo prototipo può accendersi e spegnersi circa un milione di volte al secondo, mentre i transistor al silicio possono sfarfallare miliardi di volte al secondo. Ciò pone questi transistor di nanotubi alla pari con i componenti in silicio prodotti negli anni '80.
Ridurre i transistor di nanotubi aiuterebbe l'elettricità ad attraversarli con meno resistenza, consentendo ai dispositivi di accendersi e spegnersi più rapidamente, afferma Arnold. E l'allineamento dei nanotubi in parallelo, anziché utilizzare una rete orientata in modo casuale, potrebbe anche aumentare la corrente elettrica attraverso i transistor per aumentare la velocità di elaborazione.
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