Nízkoenergetický čip z uhlíkových nanotrubiček

Mikročip vyrobený z uhlíkových nanotrubiček je energeticky účinnější než stávající mikročipy a mohl by ušetřit velké množství energie. Výkon počítače s křemíkovými čipy lze zlepšit tím, že se křemíková elektronika zmenší, ale tento proces je pomalý. Max Shulaker a kol. z Massachusetts Institute of Technology (MIT) vyrobili mikroprocesor, který je umístěn na křemíkové podložce a je vyroben z uhlíkových nanotrubiček. Pokud se použijí nanotrubičky k výrobě počítačových čipů se stejnou architekturou jako mají křemíkové čipy, pak budou 10× účinnější. Uhlíkové nanotrubičky jsou tenké jen jeden nanometr, takže tento čip spotřebuje velmi málo energie. Výzkumný tým použil tento čip při realizaci jednoduchého programu, jehož výsledkem byla zpráva „Hello world“, což je obvykle první program napsaný lidmi, kteří se učí programovat.  Výroba křemíkových čipů vyžaduje teplotu 1 000 °C nebo ještě vyšší, ale nanotrubičkové tranzistory lze vyrábět v podstatě při pokojové teplotě. Dalším krokem bude zmenšování komponent a zrychlení jejich vybíjení a nabíjení.

Počítač s uhlíkovými nanotrubičkami 

Miniaturizace elektronických zařízení byla hlavní hnací silou polovodičového průmyslu a přinesla zásadní zlepšení ve výpočetním výkonu a energetické účinnosti. Ačkoli pokroky s elektronikou na bázi křemíku pokračují, zkoumají se i alternativní technologie. Digitální obvody založené na tranzistorech vyrobených z uhlíkových nanotrubiček (Carbon Nano Tubes - CNT) by mohly překonat křemík tím, že zlepší energetickou účinnost o více než řád. Kvůli podstatným základním nedokonalostem však zatím vznikly pouze zcela základní bloky. Nedokonalosti však šlo překonat, a tak první počítač postavený výhradně pomocí tranzistorů na bázi CNT vznikl. Inženýři z univerzity ve Stanfordu sestavili takový základní počítač pomocí uhlíkových nanotrubiček. Výzkum vedli stanfordští profesoři Subhasish Mitra a H.S. Philip Wong. „Lidé mluvili o nové éře elektroniky z uhlíkových nanotrubiček, která překračuje hranice křemíku,“ řekl Mitra, elektroinženýr a počítačový vědec a stipendista na fakultě Chambers. „Přinesli jsme důkaz.“"

Proč se starat o nástupce křemíku?

Křemíkové čipy by mohly brzy narazit na fyzické limity, které by mohly bránit v dodávání ještě menších, rychlejších a levnějších elektronických zařízení. Po celá desetiletí pokrok v elektronice byl dán zmenšováním velikosti tranzistoru, aby jich bylo možné na čip umístit více. Ale čím jsou tranzistory menší, tím více relativně plýtvají energie a generují více tepla – to vše na stále menším a menším prostoru - o čemž ostatně svědčí teplo vycházející ze spodní části vašeho notebooku. Tento jev plýtvání energií by mohl znamenat konec Moorova zákona, pojmenovaného po spoluzakladateli Intel Corp. Gordonu Mooreovi, který v roce 1965 předpověděl, že hustota tranzistorů se zdvojnásobí zhruba každé dva roky. Ale menší, rychlejší a levnější znamená také menší, rychlejší a teplejší. Ztráta energie systémů na bázi křemíku je hlavním problémem.

Co jsou CNT

CNT jsou dlouhé řetězce uhlíkových atomů, které extrémně účinně vedou elektřinu. Jsou tak tenké – tisíce CNT by se vedle sebe vešly do lidského vlasu – že jejich vypnutí vyžaduje jen velmi málo energie. „Představte si to jako šlápnutí na zahradní hadici," řekl Wong. „Čím tenčí hadice, tím snazší je zastavit průtok. CNT by nás mohly dostat minimálně o řád výkonu nad rámec toho, kam by nás mohl dostat křemík“ řekl Wong.

Nedostatky CNT

CNT nemusejí nutně vždy růst v úhledných paralelních liniích, jak by si výrobci čipů přáli. V průběhu času výzkumníci vymysleli triky, jak pěstovat 99,5 procenta CNT v přímých liniích. Ale s miliardami nanotrubic na čipu by i nepatrný stupeň nesprávně zarovnaných trubic mohl způsobit chyby, takže problém přetrvával. Druhý typ nedokonalosti také maří technologii CNT. Jak CNT rostou, může se zlomek těchto uhlíkových nanotrubic chovat jako kovové dráty, které vždy vedou elektřinu, namísto toho, aby fungovaly jako polovodiče, které lze vypnout. Vzhledem k tomu, že konečným cílem je hromadná sériová výroba, výzkumníci museli najít způsoby, jak se s nesprávně zarovnanými i s kovovými CNT vypořádat.

Jak obejít nedostatky

Stanfordská práce popisuje dvoustupňový přístup, který autoři nazývají „design imunní vůči nedokonalosti“. Aby eliminovali nanotrubice chovající se jako drátky, Stanfordský tým vypnul všechny dobré CNT. Pak prohnali polovodičovým obvodem elektřinu, a ta se soustředila v kovových nanotrubičkách, které se rozžhavily tak, že shořely a doslova se vypařily na drobné obláčky oxidu uhličitého. Tato sofistikovaná technika dokázala odstranit prakticky všechny kovové CNT v okruhu najednou. Obcházení špatně zarovnaných nanotrubic vyžadovalo ještě větší jemnost. Vědci ze Stanfordu vytvořili výkonný algoritmus, který mapuje uspořádání obvodu, které bude zaručeně fungovat bez ohledu na to, zda nebo kde mohou být CNT nerovné. Stanfordský tým použil tento design odolný proti nedokonalostem k sestavení základního počítače se 178 tranzistory, což je limit způsobený tím, že místo průmyslového výrobního procesu používali univerzitní zařízení na výrobu čipů.

Jejich počítač CNT prováděl úkoly jako počítání a třídění čísel. Běží na něm základní operační systém, který mu umožňuje přepínat mezi těmito procesy. Ačkoli může trvat roky, než počítače založené na CNT dozrají, stanfordský přístup ukazuje, že průmyslová výroba uhlíkových nanotrubicových polovodičů je možná.

 Jde o první nezbytné kroky k přesunu uhlíkových nanotrubiček z chemické laboratoře do reálného prostředí. „Velkou výzvou pro masivní nasazení takových systémů je napájení: napájení po drátě je nemožné, baterie často nejsou praktické nebo cenově dostupné,“ řekl Gielen a dodal: „CNT jsou nově vznikající technologií, která slibuje možnost výrazně snížit spotřebu elektroniky ve srovnání s dnešními nejmodernějšími technologiemi. Pokud se to uskuteční, bude to velký průlom pro všechny zmíněné a budoucí aplikace.“ 

Zdroje:

Low-energy nanotube chip says „Hello world“. (New Scientist, 2019, č. 3246, s. 18)

Carbon nanotube computer | Nature