I nanotubi di carbonio rappresentano un significativo allontanamento dalle tradizionali tecnologie al silicio e offrono un percorso promettente per risolvere la sfida dell'efficienza energetica nei circuiti dei computer, ma non sono senza sfide. Ora, gli ingegneri di Stanford hanno trovato il modo di superare le sfide per produrre le prime strutture logiche digitali full-wafer basate su nanotubi di carbonio.

L'efficienza energetica è la sfida più significativa che ostacola la continua miniaturizzazione dei sistemi elettronici, e la miniaturizzazione è il principale motore dell'industria dei semiconduttori. "Mentre ci avviciniamo ai limiti ultimi della legge di Moore, però, il silicio dovrà essere sostituito per miniaturizzare ulteriormente, "ha detto Jeffrey Bokor, vicedirettore per la scienza presso la Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory e professore all'UC-Berkeley.

A tal fine, i nanotubi di carbonio (CNT) rappresentano un significativo allontanamento dalle tecnologie tradizionali del silicio e un percorso molto promettente per risolvere la sfida dell'efficienza energetica. I CNT sono nanostrutture cilindriche di carbonio con eccezionali caratteristiche elettriche, proprietà termiche e meccaniche. I circuiti di nanotubi potrebbero fornire un miglioramento di dieci volte dell'efficienza energetica rispetto al silicio.

Il lavoro del team di Stanford è stato presentato di recente come documento invitato al prestigioso International Electron Devices Meeting (IEDM) e come "documento di apertura" nell'apprezzato Transazioni IEEE sulla progettazione assistita da computer di circuiti e sistemi integrati .

Promessa anticipata

Quando i primi transistor rudimentali a nanotubi furono dimostrati nel 1998, ricercatori hanno immaginato una nuova era di sistemi altamente efficienti, elettronica informatica avanzata. quella promessa, però, deve ancora essere realizzato a causa delle sostanziali imperfezioni del materiale inerenti ai nanotubi che hanno lasciato gli ingegneri a chiedersi se i CNT si sarebbero mai dimostrati praticabili.

Negli ultimi anni, un team di professori di ingegneria di Stanford, dottorandi, studenti universitari, e stagisti delle scuole superiori, guidato dai professori Subhasish Mitra e H.-S. Filippo Wong, ha accettato la sfida e ha prodotto una serie di innovazioni che rappresentano gli elementi di elaborazione e archiviazione più avanzati mai creati utilizzando i CNT.

"I primi CNT hanno entusiasmato la comunità di ricerca con le loro eccezionali prestazioni elettriche, proprietà termiche e meccaniche oltre un decennio fa, ma questo recente lavoro a Stanford ha fornito il primo assaggio della loro fattibilità per integrare i transistor CMOS al silicio, " ha detto Larry Pileggi, Tanoto Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Carnegie Mellon University e direttore del Focus Center Research Program Center for Circuit and System Solutions.

Principali barriere

Sebbene ci siano stati risultati significativi nei circuiti CNT nel corso degli anni, sono arrivati ​​principalmente a livello di singolo nanotubo. Rimangono almeno due ostacoli principali prima che i CNT possano essere imbrigliati in tecnologie di impatto pratico:primo, L'allineamento "perfetto" dei nanotubi si è dimostrato quasi impossibile da raggiungere, introdurre dannosi percorsi conduttivi vaganti e funzionalità difettose nei circuiti; secondo, la presenza di CNT metallici (al contrario dei CNT semiconduttori più desiderabili) nei circuiti porta a cortocircuiti, eccessiva dispersione di corrente e suscettibilità al rumore. Nessuna tecnica di sintesi dei CNT ha ancora prodotto esclusivamente nanotubi semiconduttori.

"I transistor a nanotubi di carbonio sono attraenti per molte ragioni come base per densi, circuiti integrati ad alta efficienza energetica in futuro. Ma, nasce dalla chimica, presentano sfide uniche mentre cerchiamo di adattarli alla microelettronica per la prima volta. Il principale tra questi è la variabilità nella loro posizione e nelle loro proprietà elettriche. Il lavoro di Stanford, che guarda alla progettazione di circuiti tenendo conto di tale variabilità, è quindi un passo estremamente importante nella giusta direzione, "Supratik Guha, Direttore del Dipartimento di Scienze Fisiche presso l'IBM Thomas J. Watson Research Center.

"Questo è un lavoro molto interessante e creativo. Anche se ci sono molte sfide difficili da affrontare, il lavoro di Wong e Mitra fa buoni progressi nel risolvere alcune di queste sfide, "aggiunse Bokor.

Rendendosi conto che processi migliori da soli non supereranno mai queste imperfezioni, gli ingegneri di Stanford sono riusciti a eludere le barriere utilizzando un paradigma di progettazione immune all'imperfezione per produrre le prime strutture logiche digitali su larga scala che non sono influenzate da CNT disallineati e posizionati in modo errato. Inoltre, hanno affrontato le sfide dei CNT metallici con l'invenzione di una tecnica per rimuovere questi elementi indesiderati dai loro circuiti.

Caratteristiche sorprendenti

L'approccio progettuale di Stanford ha due caratteristiche sorprendenti in quanto non sacrifica praticamente nessuno dell'efficienza energetica dei CNT ed è anche compatibile con i metodi e le infrastrutture di fabbricazione esistenti, spingendo la tecnologia un passo significativo verso la commercializzazione.

"Questa ricerca trasformativa è resa ancora più promettente dal fatto che può coesistere con le odierne tecnologie tradizionali al silicio, e sfruttare l'odierna infrastruttura di produzione e progettazione di sistemi, providing the critical feature of economic viability, " said Betsy Weitzman of the Focus Center Research Program at the Semiconductor Research Corporation

The engineers next demonstrated the possibilities of their techniques by creating the essential components of digital integrated systems:arithmetic circuits and sequential storage, as well as the first monolithic three-dimensional integrated circuits with extreme levels of integration.

"Many researchers assumed that the way to live with imperfections in CNT manufacturing was through expensive fault-tolerance techniques. Through clever insights, Mitra and Wong have shown otherwise. Their inexpensive and practical methods can significantly improve CNT circuit robustness, and go a long way toward making CNT circuits viable, " said Sachin S. Sapatnekar, Editor-in-Chief, IEEE Transactions on CAD . "I anticipate high reader interest in the paper, " Sapatnekar noted.