“硅谷”将名不副实？碳纳米管芯片问世 未来或取代硅芯片
2019-09-02
18:01:03
来源: 互联网
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8月31日外媒称，“硅谷”可能很快就会名不副实，用碳纳米管而不是硅制成的芯片标志着一个计算机技术的里程碑。
据英国科学新闻网站8月29日报道，在一种新型微处理器中，晶体管——共同执行运算的微小电子开关——是用碳纳米管而不是硅制造的。通过设计出能够克服纳米级缺陷——经常削弱单个碳纳米管晶体管的功能——的技术，研究人员制造了首个利用数千个碳纳米管晶体管来运行程序的计算机芯片。
8月29日出版的英国《自然》周刊描述了这种芯片样品，其速度和尺寸还赶不上商用硅芯片。但碳纳米管计算机芯片最终可能带来新一代更快、更节能的电子产品。
未参与该研究的美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的材料科学家曹庆说，这是“这项技术发展中的一个非常重要的里程碑”。
每个晶体管的核心是传统上由硅制成的半导体元件，这种元件既可作为电导体，也可作为绝缘体。晶体管的“开启”和“关闭”状态，即是否有电流流过半导体，在计算机数据上表达为1和0。麻省理工学院的电子工程师马克斯·舒莱克说，通过制造更精巧的硅晶体管，“我们过去在计算方面每年都能获得指数级增长”。但他说：“如今性能的增长开始趋于平稳。”硅晶体管不可能比现在体积更小和更高效了。
由于碳纳米管几乎只有原子那么厚，而且可以很好地传输电流，它们能制造出比硅更好的半导体。舒莱克说，大体上，碳纳米管处理器的运行速度能比硅处理器快两倍，而功耗只有硅处理器的三分之一左右。但迄今碳纳米管被证明太难摆弄，无法构建复杂的计算系统。
一个问题是，当把一个碳纳米管网络放到计算机芯片上时，碳纳米管往往聚集成块，让晶体管无法工作。舒莱克说，这“就像试图用砖建造一处庭院，而庭院中间有一块大石头”。他的团队解决了这个问题，他们把纳米管铺在芯片上，然后利用振动把多余的成捆纳米管轻轻地从纳米管层抖落。
研究小组面临的另一个问题是，每一批具有半导体性质的碳纳米管都含有约0.01%的金属型碳纳米管。由于金属型碳纳米管无法在导电和绝缘之间正常翻转，这些碳纳米管可能把晶体管的读数弄乱。
为寻找变通办法，舒莱克及其同事分析了金属型碳纳米管对不同晶体管配置的影响程度。研究人员发现，有缺陷的纳米管对某些晶体管配置的功能影响更大——就像一个缺失的字母会让某些单词难以辨认，但可以让另一些单词基本可读。因此，舒莱克及其同事精心设计了微处理器的电路，以避免最容易被金属型纳米管故障弄混的晶体管配置。
美国威斯康星大学麦迪逊分校的材料科学家迈克尔·阿诺德说：“这篇论文给我留下了深刻印象的一大特点是，电路设计精巧。”
由逾1.4万个碳纳米管晶体管组成的微处理器执行了一个简单的程序，即编写消息“你好，世界！”
新制造的碳纳米管微处理器尚未准备好取代硅芯片以成为现代电子技术的支柱。碳纳米管晶体管的直径大约为1微米，而目前硅晶体管的直径仅为几十纳米。这个样品中的每个碳纳米管晶体管每秒能开关大约100万次，而硅晶体管每秒能开关数十亿次。这使得这些碳纳米管晶体管与上世纪80年代生产的硅晶体管差不多。
阿诺德说，缩小碳纳米管晶体管的尺寸将有助于电流在较小的阻力下通过晶体管，从而使晶体管能够更快地开关。将纳米管平行排列，而不是使用随机定向网格，也可以增加通过晶体管的电流，从而提高处理速度。
责任编辑：sophie
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