Створений перший працюючий комп'ютер, процесор якого виготовлений з вуглецевих нанотрубок
За минулі кілька років ми тільки й чули про транзисторах, виготовлених з вуглецевих нанотрубок, і про інші дива, які обіцяє використання цього екзотичного матеріалу. Але все, що ми чули або читали, мало відношення виключно до галузі наукових досліджень, про практичне застосування вуглецевих нанотрубок вчені говорили, як про далеке майбутнє, вказуючи терміни в кілька років. І, нарешті, групі вчених з Стенфордського університету вдалося зробити перший крок до початку застосування вуглецевих нанотрубок в електроніці та обчислювальній техніці, крок, який зможе забезпечити витіснення кремнію з панівних позицій в цих областях. А цим кроком стало створення першого функціонуючого обчислювального пристрою з процесором, всі елементи якого виготовлені з вуглецевих нанотрубок.
В порівнянні з сучасними процесорами і комп'ютерами, новий "нанотрубочный" комп'ютер виглядає анахронізмом. Його процесор складається з 178 транзисторів, в той час, як кристали сучасних процесорів містити мільярди транзисторів. Новий процесор може обробляти один біт інформації, сучасні ж процесори є в більшості 32 - і 64-розрядними, а працює "нанотрубочный" процесор на частоті 1 КГц, що приблизно в мільйон разів менше частоти роботи процесорів сучасних смартфонів.
Однак, слід згадати, що і електроніка на кремнієвих транзисторах також проходила саме по такому шляху розвитку, тому досягнення Стендфордских вчених є важливою віхою на шляху подальшого розвитку сучасної електроніки, яка в недалекому майбутньому, без сумніву, піде від використання кремнію. "Це є першим разом в історії науки і техніки, коли людям вдалося створити працюючий комп'ютер, заснований на технології, відмінної від традиційної CMOS-технології" - розповідає Нэреш Шэнбхэг (Naresh Shanbhag), вчений з університету Іллінойсу, який разом зі Стэндфордскими вченими приймає участь в роботі дослідницького консорціуму SONIC.
У своїй роботі вченим довелося подолати дві ключові проблеми. Вуглецеві нанотрубки, які є основою нового процесора, можуть бути вирощені з допомогою досить простого методу хімічного осадження вуглецю з парової фази. Але в ході такого процесу можуть бути отримані вуглецеві нанотрубки, які мають металевими або напівпровідниковими властивостями. Металеві струмопровідні нанотрубки є небажаними, оскільки він діють як микропроводники, які можуть зробити короткі замикання в електронній схемі.
Іншим каменем спотикання є упорядкування вирощуваних вуглецевих нанотрубок. Використовуючи спеціальні "шаблонні" підкладки можна досягти зростання паралельних нанотрубок, вирівняних в одному визначеному напрямку. Але, деяка частина з них обов'язково відхилиться від загального напряму і з'єднається з сусідніми нанотрубками, замкнувши їх електричні ланцюги.
Перша проблем була вирішена вченими досить елегантно. Через "ліс" вирощених нанотрубок був пропущений електричний струм досить сильною величини. Металеві струмопровідні вуглецеві нанотрубки розігрілися, окислилися і згоріли, перетворившись у вуглекислий газ, а напівпровідникові нанотрубки, через які не проходив електричний струм, залишилися в цілості й схоронності. Друга проблема була вирішена більш складним шляхом. Для створення мікропроцесора була вирощена заготівля з нанотрубок, у кілька разів перевищує за розмірами майбутню електронну схему. Використовуючи метод лазерної микрогравировки і микрорезки, керований за допомогою складного алгоритму, заснованого на теорії графів, дослідники просто "вирізали" дефектні ділянки заготовки, одночасно формуючи структуру майбутньої електронної схеми.
У результаті всіх зусиль вчених вийшов мікропроцесор, який кардинально відрізняється від сучасних процесорів, як по структурі, організації, так і за принципами його роботи. Транзистори "нанотрубочного" процесора забезпечують його роботу за принципами PMOS-логіки, в якій транзистор управляється подачею негативної напруги на керуючий електрод, а його активним станом є закритий стан.
Але, такий мікропроцесор здатний виконати все те, що можна очікувати від звичайного процесор. Він може працювати під управлінням операційної системи і забезпечувати многозадачную середу. А в набір команд входять всі 20 основних команд з досить поширеного набору інструкцій MIPS-архітектури. Тим не менш, "нанотрубочный" процесор на найнижчому рівні здатний виконати одну єдину команду SUBNEG (віднімання та перехід за вказаною адресою, якщо результат віднімання - негативний). Незважаючи на це, маючи в розпорядженні досить велику кількість пам'яті, з послідовності команд SUBNEG можна скласти алгоритми обчислення будь-якої складності.
Звичайно, існує ще багато невирішених питань. У своїй роботі Стэндфордская команда використовувала метод оптичної літографії, що забезпечує роздільну здатність в 1 мікрометр, що зумовило великі розміри транзисторів з вуглецевих нанотрубок, яких помістилося всього 5 примірників на одному квадратному микрометре площі. Ця щільність повинна бути збільшена в 100-200 разів і більше, для того, щоб можна було збільшити швидкість роботи електронних схем і зробити ефективним з економічної точки зору весь процес виробництва. Ще одним питанням, яке належить вирішити вченим, є питання рівномірності розташування транзисторів з вуглецевих нанотрубок, що дозволить виробляти "нанотрубочные" чіпи, що мають однакову структуру і характеристики.