Un tipico chip per computer include milioni di transistor collegati a una vasta rete di fili di rame. Sebbene i fili dei chip siano inimmaginabilmente corti e sottili rispetto ai fili domestici, entrambi hanno una cosa in comune:in ogni caso il rame è avvolto in una guaina protettiva.

Per anni un materiale chiamato nitruro di tantalio ha formato uno strato protettivo nei fili dei chip.

Ora gli esperimenti condotti da Stanford dimostrano che un diverso materiale di rivestimento, grafene, può aiutare gli elettroni a passare più rapidamente attraverso i minuscoli fili di rame nei chip.

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo forte ma sottile. Ingegnere elettrico di Stanford H.-S. Philip Wong dice che questa modesta correzione, usando il grafene per avvolgere i fili, potrebbe consentire ai transistor di scambiare dati più velocemente di quanto sia attualmente possibile. E i vantaggi dell'utilizzo del grafene diventerebbero maggiori in futuro man mano che i transistor continuano a ridursi.

"I ricercatori hanno fatto enormi progressi su tutti gli altri componenti dei chip, ma recentemente, non ci sono stati molti progressi per migliorare le prestazioni dei cavi, " Egli ha detto.

Wong ha guidato un team di sei ricercatori, di cui due dell'Università del Wisconsin-Madison, che presenteranno i loro risultati ai Simposi di Tecnologia e Circuiti VLSI a Kyoto, un punto di riferimento per l'industria elettronica.

Ling Li, uno studente laureato in ingegneria elettrica a Stanford e primo autore del documento di ricerca, ha spiegato perché cambiare l'involucro esterno sui cavi di collegamento può avere un impatto così grande sulle prestazioni del chip.

Si inizia con la comprensione del duplice ruolo di questo strato protettivo:isola il rame dal silicio sul chip e serve anche a condurre l'elettricità.

Sui chip di silicio, i transistor agiscono come minuscole porte per accendere o spegnere gli elettroni. Quella funzione di commutazione è il modo in cui i transistor elaborano i dati.

I fili di rame tra i transistor trasportano questi dati una volta elaborati.

Il materiale isolante, attualmente nitruro di tantalio, impedisce al rame di migrare nei transistor di silicio e di renderli non funzionali.

Perché passare al grafene?

Due ragioni, a cominciare dal desiderio incessante di continuare a ridurre i componenti elettronici.

Quando il team di Stanford ha utilizzato lo strato più sottile possibile di nitruro di tantalio necessario per svolgere questa funzione di isolamento, hanno scoperto che lo standard industriale era otto volte più spesso dello strato di grafene che svolgeva lo stesso lavoro.

Il grafene aveva un secondo vantaggio come guaina protettiva e qui è importante differenziare il modo in cui questo strato esterno funziona nei cavi dei chip rispetto ai cavi domestici.

Nei fili interni lo strato esterno isola il rame per prevenire folgorazioni o incendi.

In un chip lo strato attorno ai fili è una barriera per impedire agli atomi di rame di infiltrarsi nel silicio. Se ciò accadesse, i transistor cesserebbero di funzionare. Quindi lo strato protettivo isola il rame dal silicio

L'esperimento di Stanford ha dimostrato che il grafene potrebbe svolgere questo ruolo isolante fungendo anche da conduttore ausiliario di elettroni. La sua struttura reticolare consente agli elettroni di saltare da un atomo di carbonio ad un atomo di carbonio direttamente lungo il filo, pur contenendo efficacemente gli atomi di rame all'interno del filo di rame.

Questi vantaggi, la sottigliezza dello strato di grafene e il suo duplice ruolo di isolatore e conduttore ausiliario, consentono a questa nuova tecnologia di cavi di trasportare più dati tra i transistor, accelerando le prestazioni complessive del chip nel processo.

Nei chip di oggi i benefici sono modesti; un isolatore di grafene aumenterebbe la velocità del filo dal 4% al 17%, a seconda della lunghezza del filo.

Ma mentre i transistor e i cavi continuano a ridursi di dimensioni, i vantaggi dell'isolatore in grafene ultrasottile ma conduttivo diventano maggiori. Gli ingegneri di Stanford stimano che la loro tecnologia potrebbe aumentare la velocità del filo del 30% nelle prossime due generazioni

I ricercatori di Stanford pensano che la promessa di un calcolo più veloce indurrà altri ricercatori a interessarsi ai cavi, e aiutare a superare alcuni degli ostacoli necessari per portare questa prova di principio nella pratica comune.

Ciò includerebbe le tecniche per coltivare il grafene, soprattutto coltivandolo direttamente sui fili mentre i chip vengono prodotti in serie. Oltre al suo collaboratore dell'Università del Wisconsin, il professor Michael Arnold, Wong ha citato il professor Zhihong Chen della Purdue University. Wong ha osservato che l'idea di utilizzare il grafene come isolante è stata ispirata dal professor Paul McEuen della Cornell University e dalla sua ricerca pionieristica sulle proprietà di base di questo meraviglioso materiale. Anche Alexander Balandin dell'Università della California-Riverside ha contribuito all'utilizzo del grafene nei chip.

"Il grafene è stato promesso per molto tempo a beneficio dell'industria elettronica, e usarlo come barriera di rame è forse la prima realizzazione di questa promessa, "Ha detto Wong.