Un team di ingegneri di Stanford ha costruito un computer di base utilizzando nanotubi di carbonio, un materiale semiconduttore che ha il potenziale per lanciare una nuova generazione di dispositivi elettronici che funzionano più velocemente, consumando meno energia, rispetto a quelli realizzati con chip di silicio.

Questa impresa senza precedenti culmina in anni di sforzi da parte di scienziati di tutto il mondo per sfruttare questo materiale promettente.

Il traguardo è riportato oggi in un articolo sulla copertina di Natura rivista scritta da Max Shulaker e altri studenti di dottorato in ingegneria elettrica. La ricerca è stata condotta dai professori di Stanford Subhasish Mitra e H.S. Filippo Wong.

"La gente ha parlato di una nuova era dell'elettronica dei nanotubi di carbonio che va oltre il silicio, "disse Mitra, un ingegnere elettrico e informatico, e il Chambers Faculty Scholar of Engineering. "Ma ci sono state poche dimostrazioni di sistemi digitali completi che utilizzano questa entusiasmante tecnologia. Ecco la prova".

Gli esperti affermano che il risultato di Stanford stimolerà gli sforzi per trovare successori ai chip di silicio, che potrebbero presto incontrare limiti fisici che potrebbero impedire loro di consegnare più piccoli, Più veloce, dispositivi elettronici più economici.

"I nanotubi di carbonio (CNT) sono stati a lungo considerati un potenziale successore del transistor al silicio, " ha detto il professor Jan Rabaey, un esperto mondiale di circuiti e sistemi elettronici presso l'UC Berkeley.

Ma fino ad ora non era chiaro se i CNT potessero soddisfare queste aspettative.

"Non c'è dubbio che questo attirerà l'attenzione dei ricercatori nella comunità dei semiconduttori e li invoglierà a esplorare come questa tecnologia può portare a piccoli, processori più efficienti dal punto di vista energetico nel prossimo decennio, " ha detto Rabaey.

Mihail Roco, consulente senior per le nanotecnologie presso la National Science Foundation, chiamato il lavoro di Stanford "un importante, scoperta scientifica".

Circa 15 anni fa i nanotubi di carbonio furono modellati per la prima volta in transistor, gli interruttori on-off al centro dei sistemi elettronici digitali.

Ma un'inquietante serie di imperfezioni in questi nanotubi di carbonio ha a lungo vanificato gli sforzi per costruire circuiti complessi usando i CNT. Professor Giovanni De Micheli, direttore dell'Istituto di ingegneria elettrica dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera, ha evidenziato due contributi chiave che il team di Stanford ha dato a questo sforzo mondiale.

"Primo, hanno messo in atto un processo per la fabbricazione di circuiti basati su CNT, — disse De Micheli. — Secondo, hanno costruito un circuito semplice ma efficace che mostra che il calcolo è fattibile usando i CNT".

Come ha detto Mitra:"Non si tratta solo del computer CNT. Si tratta di un cambiamento di direzione che mostra che puoi costruire qualcosa di reale usando le nanotecnologie che vanno oltre il silicio e i suoi cugini".

Perché preoccuparsi di un successore del silicio? Tali preoccupazioni derivano dalle richieste che i progettisti pongono ai semiconduttori e alla loro unità fondamentale di lavoro, quegli interruttori on-off noti come transistor.

Per decenni, il progresso nell'elettronica ha significato ridurre le dimensioni di ciascun transistor per imballare più transistor su un chip. Ma man mano che i transistor diventano più piccoli, sprecano più energia e generano più calore, il tutto in uno spazio sempre più piccolo, come dimostra il calore che emana dal fondo di un laptop.

Molti ricercatori ritengono che questo fenomeno di spreco di energia potrebbe significare la fine della legge di Moore, chiamato per il co-fondatore di Intel Corp. Gordon Moore, che nel 1965 predisse che la densità dei transistor sarebbe raddoppiata all'incirca ogni due anni, portando a minori, più veloce e, come si è scoperto, elettronica più economica.

Ma più piccolo, più veloce ed economico ha significato anche più piccolo, più veloce e più caldo.

"La dissipazione di energia dei sistemi a base di silicio è stata una delle principali preoccupazioni, " disse Anantha Chandrakasan, capo di ingegneria elettrica e informatica al MIT e leader mondiale nella ricerca sui chip. Ha definito il lavoro di Stanford "un importante punto di riferimento" nello spostamento dei CNT verso l'uso pratico. I CNT sono lunghe catene di atomi di carbonio estremamente efficienti nel condurre e controllare l'elettricità. Sono così sottili - migliaia di CNT potrebbero stare uno accanto all'altro in un capello umano - che ci vuole pochissima energia per spegnerli, secondo Wong, co-autore dell'articolo e Williard R. e Inez Kerr Bell Professor a Stanford.

"Pensalo come calpestare un tubo da giardino, " disse Wong. "Più sottile è il tubo, più facile è chiudere il flusso." In teoria, questa combinazione di conduttività efficiente e commutazione a bassa potenza rende i nanotubi di carbonio ottimi candidati per fungere da transistor elettronici.

"I CNT potrebbero portarci almeno un ordine di grandezza in termini di prestazioni oltre a quello in cui è possibile proiettare il silicio potrebbe portarci, " Ha detto Wong. Ma le imperfezioni intrinseche hanno ostacolato l'uso pratico di questo materiale promettente.

Primo, I CNT non crescono necessariamente in linee parallele ordinate, come vorrebbero i produttori di chip.

Col tempo, i ricercatori hanno escogitato trucchi per far crescere il 99,5% dei CNT in linea retta. Ma con miliardi di nanotubi su un chip, anche un minimo di tubi disallineati potrebbe causare errori, quindi quel problema è rimasto.

Anche un secondo tipo di imperfezione ha ostacolato la tecnologia CNT.

A seconda di come crescono i CNT, una frazione di questi nanotubi di carbonio può finire per comportarsi come fili metallici che conducono sempre elettricità, invece di agire come semiconduttori che possono essere spenti.

Poiché l'obiettivo finale è la produzione di massa, i ricercatori hanno dovuto trovare modi per affrontare i CNT disallineati e/o metallici senza doverli cercare come aghi in un pagliaio.

"Avevamo bisogno di un modo per progettare circuiti senza dover cercare le imperfezioni o nemmeno sapere dove fossero, " Ha detto Mitra. L'articolo di Stanford descrive un duplice approccio che gli autori chiamano un "design immune all'imperfezione".

Per eliminare i nanotubi filiformi o metallici, il team di Stanford ha spento tutti i buoni CNT. Poi hanno riempito di elettricità il circuito dei semiconduttori. Tutta quell'elettricità concentrata nei nanotubi metallici, che divenne così caldo da bruciare e letteralmente vaporizzare in minuscoli sbuffi di anidride carbonica. Questa sofisticata tecnica è stata in grado di eliminare praticamente tutti i CNT metallici nel circuito contemporaneamente.

Bypassare i nanotubi disallineati richiedeva una sottigliezza ancora maggiore.

Quindi i ricercatori di Stanford hanno creato un potente algoritmo che traccia un layout di circuito che è garantito per funzionare indipendentemente dal fatto che i CNT possano essere disallineati.

"Questo 'design immune alle imperfezioni' (tecnica) rende questa scoperta davvero esemplare, " disse Sankar Basu, un direttore di programma presso la National Science Foundation.

Il team di Stanford ha utilizzato questo progetto immune alle imperfezioni per assemblare un computer di base con 178 transistor, un limite imposto dal fatto che utilizzavano le strutture per la produzione di chip dell'università piuttosto che un processo di fabbricazione industriale.

Il loro computer CNT svolgeva compiti come il conteggio e l'ordinamento dei numeri. Esegue un sistema operativo di base che gli consente di scambiare tra questi processi. A dimostrazione delle sue potenzialità, i ricercatori hanno anche dimostrato che il computer CNT potrebbe eseguire MIPS, un set di istruzioni commerciali sviluppato nei primi anni '80 dall'allora professore di ingegneria di Stanford e ora presidente dell'università John Hennessy.

Anche se potrebbero volerci anni per maturare, l'approccio di Stanford punta verso la possibilità di produzione su scala industriale di semiconduttori di nanotubi di carbonio, secondo Naresh Shanbhag, professore all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e direttore di SONIC, un consorzio di ricerca sulla progettazione di chip di nuova generazione.

"Il documento Wong/Mitra dimostra la promessa dei CNT nella progettazione di sistemi informatici complessi, " Shanbhag ha detto, aggiungendo che questo "motiverà i ricercatori altrove" verso maggiori sforzi nella progettazione di chip oltre il silicio.

"Questi sono i primi passi necessari per portare i nanotubi di carbonio dal laboratorio di chimica a un ambiente reale, " disse Supratik Guha, direttore delle scienze fisiche per il Thomas J. Watson Research Center di IBM e leader mondiale nella ricerca CNT.