Denne skiven (wafer) inneholder små prosessorbrikker som tar i bruk karbon-baserte nanorør. Dette er et materiale som har potensial til å erstatte silisium i prosessorer, noe som kan gjøre dem både raskere og mer energieffektive. (Bilde: Norbert von der Groeben)

Laget helt ny type datamaskin

Første prosessor basert på nanorør.

En gruppe forskere ved Stanford University i California har laget det som skal være verdens første datamaskin utstyrt med en nanorør-basert prosessor. Rørene er laget av karbon og fungerer som halvledere. Forskerne mener at materialet har potensial til å skape en helt ny generasjon med elektroniske enheter som ikke bare kan kjøres raskere enn silisiumbaserte brikker, men som også bruker mindre energi.

De første transistorene basert på nanorør av karbon ble ifølge Stanford lagd allerede for omtrent 15 år siden. Men rekke plagsomme defekter ved disse karbon-baserte nanorørerene har lenge gjort det vanskelig å bruke dem som materiale i komplekse kretser.

Under ledelse av professorene Subhasish Mitra og H.-S. Philip Wong har Max Shulaker og flere andre stipendiater innen elektroteknikk skrevet en forskningsartikkel om den nye datamaskinen. Artikkelen er nå publisert i tidsskriftet Nature.

Stort gjennombrudd

– Folk har snakket om den nye æraen hvor elektronikk basert på karbon-nanorør (CNT – Carbon Nano Tubes) passerer silisium. Men det har sjelden blitt demonstrert komplette, digitale systemer som bruker denne spennende teknologien. Her er beviset, sier Mitra i en pressemelding, hvor også ledende forskere ved andre institusjoner uttrykker sin begeistring for det som betegnes som et stort gjennombrudd.

Giovanni De Micheli, professor og direktør for Institutt for elektroteknikk ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Sveits trekker spesielt fram to hovedbidrag som Stanford-forskerne har kommet med:

– For det første har de fått på plass en prosess for å fabrikkere CNT-baserte kretser. For det andre har de bygget en enkel, men effektiv krets som viser at det lar seg gjøre å utføre beregninger ved å bruke CNT-er, sier De Micheli.

Energieffektivitet

Nanorør er svært tynne. Samtidig både leder og kontroller de elektrisitet svært godt. Men en annen stor fordel ved dem er at det kreves veldig lite energi for å skru av ledningsevnen.

– Tenk på det som å tråkke på en hageslange. Jo tynnere slange, desto lettere er det å stoppe vannstrømmen, sier professor Wong.

Kombinasjonen av disse egenskapene gjør at CNT-er i teorien er en attraktiv kandidat til å brukes som transistorer.

– CNT-er kan bringe oss minst en størrelsesorden lenger i ytelse enn dit du kan se for det at silisium kan bringe oss, mener Wong.

Men så var det disse nevnte defektene da.

For første så «vokser» ikke CNT-er alltid som fine, parallelle linjer. Riktignok har forskere oppnådd at dette skjer ved 99,5 prosent av tilfellene. Men når man snakker om milliarder av nanorør per brikke, så kan selv små avvik skape betydelige problemer.

I tillegg så er det slik at ikke samtlige nanorør får de ønskelige, halvledende egenskapene. Noen opptrer i stedet som metalltråder som alltid leder strøm.

For å kunne nå målet om masseproduksjon, måtte forskerne finne måter å håndtere disse defektene på.

– Vi hadde behov for en måte å designe kretser på, uten å måtte se etter defekter eller i det hele tatt å vite hvor de var, sier Mitra. Disse metodene beskrives i forskningsartikkelen.

Løsningene

Metoden for å eliminere de metalliske nanorørene, består av flere trinn. Først må man skru av alle de fungerende CNT-ene. Deretter pumper man halvlederkretsen full av elektrisitet. Alle elektrisiteten vil da konsentreres i de metalliske nanorørene, noe som gjør dem så varme at de tar fyr og blir til små blaff av karbondioksid.

For å omgå problemet med nanorør som er forskjøvet, har forskerne ved Stanford skapt en algoritme som kartlegger en kretslayout som garantert skal fungere, uavhengig av om noen CNT-er er forskjøvet.

Kretsen som forskerne har laget med den nye kretsdesignen, utgjør en svært grunnleggende prosessor med bare 178 transistorer. Årsaken til at antallet transistorer ikke er høyere, er at forskerne brukte utstyr ved universitetet i stedet for en industriell produksjonsprosess.

Prosessoren kan likevel utføre oppgaver som å telle og å sortere tall. Den er utstyrt med et grunnleggende operativsystem som veksler mellom disse prosessene.

Supratik Guha, direktør i naturvitenskap ved ett av verdens ledende sentre for CNT-forskning, IBMs Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, sier at resultatene som forskerne ved Stanford har oppnådd, er det første nødvendige skrittene for å bringe karbonbaserte nanorør fra kjemilaboratoriet og over et virkelig miljø.

Til toppen