Nanoračunalniki iz nanožic: Na risbi se prečke nanožic pod vplivom napetostnega signala spreminjajo iz stanja »vključeno« (zeleno) v stanje »izključeno« (rdeče).

Po zaslugi podvojitev v vsakem poldrugem letu (v skladu s pravilom, ki ga poznamo kot Moorov zakon), se je število tranzistorjev na silicijevem čipu v manj kot pol stoletja povečalo z enega samega na skoraj milijardo. Tako fantastičen napredek v miniaturizaciji komponent integriranega vezja je neverjetno izboljšal sposobnost digitalnih strojev, da »meljejo številke«, izvajajo logične operacije in shranjujejo podatke. Ta enkratni tehnološki napredek je omogočil revolucionarne spremembe v našem vsakdanjem življenju in delu ter ustvaril največjo in najvplivnejšo industrijo v našem svetu.

ARHITEKTURA PREČK

Velikost silicijevih tranzistorjev se že desetletja nenehno zmanjšuje, medtem ko se njihove zmogljivosti povečujejo. Z nadaljnjim pakiranjem vse več tranzistorjev v silicijevo integrirano vezje se bo v največ poldrugem desetletju velikost najmanjših komponent čipa zmanjšala na skoraj molekularne razmere. Preden se to zgodi, bodo raziskovalci morali najti povsem nove rešitve, s katerimi bi presegli mejo silicijevih čipov, ki je na približno 10 nanometrov oziroma dolžini 30 atomov. Približevanje silicijevim fizičnim omejitvam sili raziskovalce na iskanje nekonvencionalnih materialov, struktur in postopkov dobivanja procesorjev. Mnoge skupine raziskovalcev po svetu iščejo alternativne rešitve, ki bi morale biti pripravljene na komercialno uporabo v manj kot desetih letih. Da bi bile nove tehnologije ekonomsko sprejemljive, bi morale v veliki meri deliti obstoječo polprevodniško infrastrukturo, zlasti tovarne čipov in programske platforme.

Največ raziskav med morebitnimi kandidati za nanoračunalnike so doslej izvedli z arhitekturo prečk. V rešitvi, ki jo razvijajo v podjetju HP, so prečke vzporedne žičke, debele manj kot 100 atomov, ki jih pod kotom 90 stopinj »prekriža« druga skupina vzporednih žičk. Med dvema skupinama nanožic je sloj materiala, ki ga je moč električno spodbujati, da prepušča več ali manj električnega toka. Na spojnih mestih se tako oblikujejo stikala, ki lahko obdržijo stanje »vključeno« (1) ali »izključeno« (0). Tovrstne prečke nanožic imajo nekaj dobrih lastnosti: (1) zaradi pravilnosti obrazcev se lahko proizvajajo, (2) pravilna množica spojev omogoča razmeroma lahko odpravljanje defektnih delov, (3) za gradnjo struktur je mogoče uporabiti različne materiale in postopki in (4) preprosta geometrija omogoča enostavno izdelavo pomnilnikov, logike in povezav ter njihovo prilagajanje.

Delovanje nanožičnih stikal: V HP-jevi rešitvi so spoji dveh prečk ločeni z eno samo enoplastno molekulo, ki ima normalno visoko odpornost (»izključeno«, rdeče), pri višji negativni napetosti pa se odpor bistveno zmanjša in vzpostavi tok elektronov med prečkami (»vključeno«, zeleno).

GOSTOTA ZA LETO 2018

Ekipa podjetja HP v tovrstnih raziskavah sodeluje z raziskovalci z oddelka za kemijo na Kalifornijski univerzi v Los Angelesu (UCLA). Skupina slednjih je v letu 2000 izdelala 16-bitni nanopomnilnik za potrebe ameriške Agencije za napredne raziskovalne projekte obrambe (DARPA). Dosežek je spodbudil agencijo DARPA k novemu projektu – razvoju 16-bitnega nanopomnilnika z gostoto 100 milijard bitov na kubični centimeter. Zahteve za proizvodnjo takšnih pomnilnikov so tako kompleksne, da jih bo industrija dosegla šele v letu 2018. Raziskovalci podjetja HP razvijajo različne modele vezja, temelječega na prečkah nanožic, med drugim različne sklope stikal ter vrat IN in ALI. V nadaljnjem razvoju morajo raziskovalci zagotoviti skupni napredek na vseh treh področjih – v arhitekturi, fiziki in proizvodnji naprav. Za to bodo potrebne ekipe raziskovalcev, ki bodo med sabo na eni strani tekmovale, na drugi pa sodelovale v tako privlačnih izzivih, kot je projekti DARPA.

Zadnja leta kot medij razvoja nanoračunalnikov postajajo še privlačnejše enoplastne ogljikove nanocevke. Posebej spodbudno je dejstvo, da sje raziskovalcem že uspeli izdelati nanocevne tranzistorje, ki so potrdili svoj velik potencial. Po nekaterih izračunih bo s takšnimi tranzistorji mogoče doseči 10-krat večje hitrosti v primerjavi s podobnimi napravami, zasnovanimi na siliciju, pa še z manjšo porabo energije. Glavna ovira nadaljnjega razvoja struktur iz nanožic je nezmožnost nadzorovanega povezovanja nanocevnih tranzistorjev v kompleksna integrirana vezja. Raziskovalci so večino dosedanjih nanocevnih tranzistorjev, kot pojasnjuje strokovnjak James Hannon iz IBM-ovega Watsonovega raziskovalnega centra , proizvajali tako, da so nanocevke v raztopini razpršili po površini. Potem so »na slepo« z litografskim postopkom natisnili kontakte za izvir in ponor, na koncu pa je bilo treba po naključju najti nanocevko, ki povezuje določen izvir in ponor.

KORAK K INTEGRIRANEM VEZJU

IBM-ovim raziskovalcem je v zadnjem letu uspelo premagati to resno oviro pri gradnji računalnikov, temelječih na ogljikovih molekulah. S tem so naredili pomemben korak k izdelavi nanocevnega integriranega vezja velikega obsega, ki bo sčasoma pripeljal do zelo hitrih nizkonapetostnih procesorjev. Da bi omogočili izdelavo sklopa nanocevnih tranzistorjev, so IBM-ovi raziskovalci nanocevke prevlekli z molekulami, ki povezujejo obrazce, sestavljene iz metal-oksidnih nanolinij na površini, drugih delov pa ne. Da bi omogočili delovanje tranzistorjev, so z litografijo naredili aluminijske nanolinije, ki rabijo kot vrata, ki vključujejo in izključujejo tranzistorje. Aluminij so potem oksidirali, da so ustvarili tanek sloj aluminijevega oksida na nanožicah, ki rabi tako kot izolator kot tudi povezovalni material za nanožice.

Z nanašanjem nanocevk v raztopini so raziskovalci omogočili povezovanje nanocevk z aluminijevim oksidom. Potem so naložili prevodne nanožice iz paladija navpično na nanožice iz aluminija in aluminijevega oksida. Prevodne nanožice so tako »prekrižale« nanocevke ter postale izvir in ponor v vsakem tranzistorju. Odkritje načina organiziranja nanocevnih tranzistorjev je pomemben korak v razvoju nanoprocesorjev, a ostalo je še veliko dela do izdelave komercialnih procesorjev. Izkoristek polnega potenciala nanocevnih tranzistorjev zahteva izboljšanje prevodnih žic, verjetno z uporabo nanocevk namesto paladijevih nanožic. Še pomembnejši problem je iskanje poceni načinov izločevanja različnih vrst ogljikovih nanocevk. V sedanjih postopkih proizvodnje dobijo mešanico nanocevk različnih velikosti in električnih lastnosti, od katerih ne delujejo vse enako dobro v integriranem vezju.

JAKOST IN PRILAGODLJIVOST

Glede na vse okoliščine prvi nanocevni tranzistorji ne bodo visoko zmogljivi procesorji, ampak zelo občutljiva tipala, ki bodo delovala z mešanico nanocevk. Nekateri raziskovalci danes razvijajo drugačne naprave, ki namesto na električnim temeljijo na drugih lastnostih nanocevk – jakosti in prilagodljivosti. S tem se zmanjšuje potreba po razvrščanju in posamičnem urejanju nanocevk. Podjetje Nantero iz ZDA, na primer, razvija nanocevne pomnilnike, zasnovane ravno na »jakosti in prilagodljivosti« nanocevk. V novi generaciji pomnilniških naprav Nantero uporablja kup nanocevk namesto ene same. Za predstavljanje ničel in eenic napravo enostavno upognejo na eno ali drugo stran. Direktor Nantera Greg Schmergel poudarja, da bodo nanocevke na koncu zamenjale vse dele polprevodniških naprav nove generacije. »Nanocevke imajo toliko različnih lastnosti, da lahko zamenjajo pomnilnik, logiko in spoj ter s tem končno tudi sam čip.«

Uporabi ogljikovih nanocevk v ultrahitrih računalnikih in drugih elektronskih napravah je bilo doslej na poti dejstvo, da vzorci materiala vsebujejo nanocevke različnih električnih lastnosti. Medtem ko je ena nanocevka polprevodnik, druga sploh ni prevodnik. Zdaj pa je raziskovalcem s Severozahodne univerze uspelo razviti praktičen postopek razvrščanja nanocevk v natančne skupine po lastnostih. V postopku se nanocevke delijo na kovinske in polprevodniške ter tudi po premeru, ločijo pa tudi nanocevke s primesmi, kot so druge oblike ogljika. Razvrščanje po premeru je bilo pričakovano, medtem ko je po elektronskem tipu presenetljivo. Ogljikove nanocevke so pomembne za tranzistorje, kovinske pa lahko rabijo za njihovo povezovanje.

Tisočkrat manjši pomnilnik: Znanstveniki na Michigenski državni univerzi so izdelali nanoračunalniški pomnilnik, sposoben izvajanja trilijonov operacij v sekundi – na sliki je pomnilniški element iz enega bita.

MILIJONKRAT VEČJE HITROSTI

Za razvrščanje uporabljajo tendis, agens, ki deluje na površino (angl.surfactant), ki se lepi na nanocevke. Odvisno od velikosti in električnih lastnosti tendis povzroča razvrščanje nanocevk v različne koncentracije in razvrstitve, kar pa omogoča merjenje gostote. z ultrahitrimi centrifugami (s 64 tisoč vrtljajev v minuti). Zadnje čase so razvili tudi druge metode razvrščanja, vsaj za posamezne namene. Resnično povezovanje milijonov gosto nabitih nanotranzistorjev in povezovalnih nanožic v zapletena vezja je še zmeraj daleč, vendar bi lahko majhen korak omenjene univerze proti velikem cilju odpravil eno največjih ovir za razvoj nanocevne elektronike. Znanstveniki so odkrili, da se gostota spreminja odvisno od vrste uporabljenega tendisa, zato so poskusili kombinirati različne agense, da bi našli pravo kombinacijo, s katero bi poudarili razlike v gostoti in tudi razlike med polprevodnimi in kovinskimi nanocevkami. Pravega mehanizma še zmeraj ne razumejo, a verjamejo, da v gre osnovi za razlike v sposobnosti polprevodniških in kovinskih nanocev glede električne polarizacije.

IBM je lani izdelal tudi prvo celotno integrirano vezje na osnovi ogljikovih nanocevk, zasnovano na eni sami molekuli. Vezje so izdelali s standardnim polprevodniškega procesa, v katerem molekula rabi kot osnova za vse komponente na vezju, namesto da bi se povezovale posamezno zgrajene komponente. Vezje je obročni oscilator, ki ga raziskovalci ponavadi uporabljajo za ocenjevanje novih proizvodnih procesov ali materialov. Z vzpostavitvijo kompletnega vezja okrog ene nanocevke je IBM prišel do približno milijonkrat večje hitrosti, kot je bilo prej mogoče z večkratnimi nanocevkami. Skupina Velikega modrega veruje, da bodo novi nananoproizvodni procesi končno sprostili superiorne potenciale nanocevne elektronike. Zdaj potekajo testiranja izboljšanih nanocevnih tranzistorjev in vezij ter ocenjevanje njihovih zmogljivosti in zmogljivosti celotnega dizajna.

Uspeh skupine s Severozahodne univerze: Pod vplivom tendisa, agensa, ki deluje na površino, se nanocevke razvrščajo po velikosti in električnih lastnostih.

NA PRAGU NANOČUDES

»Prerok« nanotehnologije Richard Feynman, sijajni profesor s Kalifornijskega tehnološkega inštituta (Caltech), ki je prejel Nobelovo nagrado za temeljni prispevek v kvantni elektrotermodinamiki, je v letu 1959 predložil razvoj novega področja, »na katerem je malokaj narejeno, a je načeloma mogoče narediti ogromno ... področja upravljanja in nadziranja stvari v malih razmerah.« Feynman je verjel, da bo nekoč mogoče upravljati atomsko strukturo stvari do točke, ko bomo lahko vse informacije na svetu shranili v prostor v velikosti glavice bucike. Za začetek si znanstveniki želijo uporabiti nanokomponente za resnične računalnike. Cilj še vedno ni blizu, a je danes vsekakor bistveno kot pred nekaj let.

Zbiranje znanja in izkušenj bo po besedah Marka Hymana profesorja kemije na Harvardski univerzi prineslo raziskovalcem samozavest ter jim omogočilo ne le, da še bolj skrčijo digitalno nanoelektroniko, temveč tudi, da pridejo z nanovezjem dalje, kot so kdaj prej. Sestavljanje in povezovanje večkratnih slojev funkcionalnih nano gradbenih blokov bo verjetno prej ali slej pripeljalo do resničnih tridimenzionalnih računalniških strojev in nanoračunalniških sistemov. »Naprave s kvantnimi fenomeni bodo uporabljene za kvantno kodiranje in kvantno računalništvo,« pravi Hyman. »Vdelovanje nanoelektronskih naprav v biozdružljive polimere bo pripeljalo do novih oblik pametnega tkiva ali hibridnih bionanoelektrontronskih možganov,« dodaja. Bogastvo nanosveta bo spremenilo makrosvet..

Objavljeno: Moj mikro December 2007 | Esad Jakupovič