Grafén består av karbonmolekyler som er bare ett atom tykke. (Bilde: Universitetet i Manchester)

Grafén likevel egnet for CPU-er?

Forskere løser kritisk problem ved å utnytte negativ motstand.

Karbonmaterialet grafén har en rekke utmerkede egenskaper som gjør materialet interessant innen mange bruksområder, ikke minst elektronikk. Materialet leder strøm svært godt, og det har vist seg mulig å lage transistorer som kan operere med en frekvens helt opp til 427 gigahertz. Men fordi grafén i utgangspunktet ikke har noe båndgap, har det ikke vært mulig å skru av disse transistorene.

Lederevnen til faste materialer er knyttet til et mål som kalles for båndgap. Dette målet beskriver energien som må til for å få ett av de ytre elektronene som kretser rundt en atomkjerne til å bli en mobil ladningsbærer som kan bevege seg fritt i det faste materialet. Isolatorer har svært stort båndgap, ledere har lite eller intet båndgap, mens båndgapet til halvledere er et sted midt i mellom.

Til nå har det i stor grad blitt forsket på hvordan man kan gi grafén et kunstig båndgap, for eksempel ved hjelp av elektriske felt, doping med atomer eller ved å bøye materialet.

Men nå mener forskere ved University of California, Riverside, at de har lykkes med en helt annen tilnærming. I stedet for å gjøre grafénets egenskaper mer silisium-lignende, har de tatt i bruk et fenomen som kalles for negativ motstand. Arbeidet ledes av doktorgradstudenten Guanxiong Liu.

MIT Technology Review, som omtaler forskningen, beskriver negativ motstand som et ikke-intuitivt fenomen dersom spenningen på tvers av et material faller, når det ledes strøm inn i materialet.

Liu og hans kolleger har tatt utgangspunkt i en standard felteffekt-transistor og funnet ut ved hvilke omstendigheter transistoren utøver negativ motstand. Spenningsfallet brukes deretter som en bryter, til å utføre logikk. Forskerne har også vist at dette ikke bare er mulig, men det også gir ytterligere fordeler sammenlignet med en silisiumbasert tilnærming.

Den høye arbeidsfrekvensen er nevnt, men forskerne har dessuten greid å bygge elementære XOR-porter med bare tre grafénbasert felteffekt-transistorer. En siliumbasert tilnærming (CMOS) krever ifølge forskerne minimum åtte transistorer og tar dermed mer plass. Arealet per grafen-transistor i XOR-porten er på 10 x 40 nanometer.

Når det gjelder ytelsen, nevnes det i rapporten et mål for mønstergjenkjenning, definert av (bits * frekvens)/areal. Grafénbaserte kretser skal kunne utføre mer enn 1022 bit/s/cm2, noe som ifølge forskerne er flere størrelsesordener mer enn det som kan leveres av selv planlagte kretser.

– Dette eksempelet illustrerer muligheten til å bygge analog kretslogikk for spesielle oppgaver basert på grafén-enheter, som i betydelig grad kan utklasse CMOS på ett spesifikt bruksområde, skriver forskerne.

Det er selvfølgelig mye som gjenstår før man i det hele tatt kan tenke på å bruke graféntransistorer i for eksempel CPU-er. Men så langt er det ikke utelukket at grafénbaserte kretser vil kunne erstatte CMOS-teknologien, som stadig nærmer seg en tilsynelatende uoverstigelig hindring, nemlig at den ikke lenger kan nedskaleres ytterligere. I rapporten heter det at dette vil skje ikke veldig lang tid etter 2026.

    Les også:

Til toppen