Los Nanotubos De Carbono Permiten Una Computación Altamente Eficiente En Energía

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Una serie de avances en tecnología de nanotubos de carbono representan los elementos de computación y almacenamiento más avanzados hasta ahora.

Este artículo de Detrás de las escenas se proporcionó a WordsSideKick.com en colaboración con la National Science Foundation.

La miniaturización es el principal impulsor de la industria de semiconductores, y el desafío más importante para la miniaturización continua de los sistemas electrónicos es la eficiencia energética.

"A medida que nos acercamos a los límites finales de la Ley de Moore, sin embargo, el silicio tendrá que ser reemplazado para miniaturizar aún más", dijo Jeffrey Bokor, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y de la Universidad de California, Berkeley.

Con este fin, los nanotubos de carbono son un alejamiento significativo de las tecnologías de silicio tradicionales y un camino prometedor para resolver el desafío de la eficiencia energética en los circuitos de computadoras. Los nanotubos de carbono son nanoestructuras cilíndricas de carbono con excepcionales propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas. Los circuitos de nanotubos podrían proporcionar una mejora de orden de magnitud en la eficiencia energética con respecto a la tecnología de silicio tradicional.

Cuando se demostraron los primeros transistores rudimentarios de nanotubos en 1998, los investigadores imaginaron una nueva era de electrónica de computación avanzada altamente eficiente. Sin embargo, esa promesa aún no se ha cumplido debido a las importantes imperfecciones materiales inherentes a los nanotubos que han dejado a los ingenieros preguntándose si los nanotubos de carbono serán viables.

En los últimos años, sin embargo, un equipo de profesores de ingeniería, estudiantes de doctorado, estudiantes universitarios y pasantes de secundaria de Stanford, dirigido por los profesores Subhasish Mitra y H.-S. Philip Wong, asumió el reto. Su trabajo ha producido una serie de avances que representan los elementos de computación y almacenamiento más avanzados que se hayan creado utilizando nanotubos de carbono.

Desafíos obstinados

Investigadores de Stanford (estudiantes de doctorado, estudiantes universitarios, pasantes de secundaria) en sus

Investigadores de Stanford (estudiantes de doctorado, estudiantes universitarios, pasantes de secundaria) en sus "trajes de conejito" en las instalaciones de Stanford Nanofabrication. El equipo creó una robusta tecnología de nanotubos de carbono que podría permitir sistemas informáticos de alta eficiencia energética.

Crédito: Subhasish Mitra, Escuela de Ingeniería de la Universidad de Stanford

Estos circuitos de nanotubos robustos y de alta calidad son inmunes a las fallas de material obstinadas y paralizantes que han dejado perplejos a los investigadores durante más de una década, un obstáculo difícil que ha impedido la adopción más amplia de circuitos de nanotubos en la industria. El avance representa un hito importante hacia lo que los investigadores llaman "sistemas integrados a gran escala" basados ​​en nanotubos.

"Los primeros nanotubos de carbono cautivaron a la comunidad de investigación con sus excepcionales propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas hace una década, pero este trabajo reciente en Stanford ha proporcionado la primera visión de su viabilidad para complementar los transistores CMOS de silicio", dijo Larry Pileggi, profesor de Ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Carnegie Mellon.

Si bien ha habido logros significativos en los circuitos de nanotubos de carbono a lo largo de los años, en su mayoría se han producido a nivel de un solo nanotubo.

Al menos dos barreras importantes permanecen antes de que los nanotubos de carbono puedan ser utilizados en tecnologías de impacto práctico. Primero, el procesamiento debe lograr una alineación casi perfecta de los nanotubos. Los nanotubos mal alineados introducen rutas de conducción perjudiciales, dispersas y defectuosas en los circuitos. En segundo lugar, los ingenieros deben eliminar los nanotubos de carbono metálicos (en lugar de los nanotubos de carbono semiconductores más deseables) de los circuitos. Los nanotubos de carbono metálicos provocan cortocircuitos, fugas excesivas de energía y susceptibilidad al ruido del circuito. Ninguna técnica de síntesis de nanotubos de carbono ha producido nanotubos exclusivamente semiconductores.

Sorteando barreras

Imagen de microscopio electrónico que muestra transistores de nanotubos de carbono (nanotubos de carbono) dispuestos en un circuito lógico integrado.

Imagen de microscopio electrónico que muestra transistores de nanotubos de carbono (nanotubos de carbono) dispuestos en un circuito lógico integrado.

Crédito: Cortesía de la Universidad de Stanford

Al darse cuenta de que los mejores procesos por sí solos nunca superarán estas imperfecciones, los ingenieros de Stanford sortearon las barreras con un diseño único inmune a las imperfecciones. Han producido las primeras estructuras lógicas digitales a escala de obleas basadas en nanotubos de carbono que no se ven afectadas por los nanotubos desalineados y mal posicionados. Además, han abordado los desafíos de los nanotubos de carbono metálico con la invención de una técnica para eliminar estos elementos indeseables de sus circuitos.

"Los transistores de nanotubos de carbono son atractivos por muchos motivos como base para circuitos integrados densos y energéticamente eficientes en el futuro", dijo Supratik Guha, director del Departamento de Ciencias Físicas del Centro de Investigación IBM J. Thomas Watson. "Sin embargo, debido a la química, vienen con desafíos únicos cuando intentamos adaptarlos a la microelectrónica por primera vez. El principal de ellos es la variabilidad en su ubicación y sus propiedades eléctricas. El trabajo de Stanford, que busca diseñar circuitos que tomar en consideración tal variabilidad, es por lo tanto un paso extremadamente importante en la dirección correcta ".

El enfoque de diseño de Stanford tiene dos características sorprendentes, ya que no sacrifica prácticamente ninguna eficiencia de energía de los nanotubos de carbono y también es compatible con los métodos de fabricación y la infraestructura existentes, lo que empuja a la tecnología a un paso significativo hacia la comercialización.

"Este es un trabajo muy interesante y creativo.Si bien hay muchos desafíos difíciles por delante, el trabajo de Wong y Mitra hace un buen progreso para resolver algunos de estos desafíos ", dijo Bokor.

"Esta investigación transformadora se hace aún más prometedora por el hecho de que puede coexistir con las principales tecnologías de silicio de hoy en día, y aprovechar la infraestructura de diseño de sistemas y fabricación de hoy en día, proporcionando la característica fundamental de la viabilidad económica", dijo Betsy Weitzman, del Centro de Enfoque. Programa de Investigación en la Corporación de Investigación de Semiconductores.

Demostrando posibilidades

Subhasish Mitra, profesor asociado, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Departamento de Ciencias de la Computación, Universidad de Stanford

Subhasish Mitra, profesor asociado, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Departamento de Ciencias de la Computación, Universidad de Stanford

Crédito: Cortesía de la Universidad de Stanford

Los ingenieros demostraron a continuación las posibilidades de sus técnicas al crear los componentes esenciales de los sistemas integrados digitales: circuitos aritméticos y almacenamiento secuencial, así como los primeros circuitos integrados monolíticos 3D con niveles extremos de integración.

El trabajo del equipo de Stanford se presentó recientemente como un documento invitado en la prestigiosa reunión internacional de dispositivos electrónicos, así como un "documento de presentación" en el número de abril de 2012 de la prestigiosa revista IEEE Transactions on Computer Aided Design of Integrated Circuits and Systems.

"Muchos investigadores asumieron que la forma de vivir con las imperfecciones en la fabricación de nanotubos de carbono era a través de costosas técnicas de tolerancia a fallas. A través de ideas inteligentes, Mitra y Wong han demostrado lo contrario. Sus métodos económicos y prácticos pueden mejorar significativamente la robustez de los circuitos de nanotubos de carbono. Un largo camino para hacer viables los circuitos de nanotubos de carbono ", dijo Sachin S. Sapatnekar, editor en jefe de la revista. "Anticipo un gran interés del lector por el papel".

Nota del editor:Los investigadores descritos en los artículos de Behind the Scenes han sido apoyados por la National Science Foundation, la agencia federal encargada de financiar la investigación básica y la educación en todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Todas las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las del autor y no necesariamente reflejan los puntos de vista de la National Science Foundation. Ver el archivo detrás de las escenas.


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