Стэнфордские инженеры открыли эпоху альтернативной электроники, основанной на углеродных нанотрубках. Новые компьютеры будут тоньше, эффективнее и не будут нагреваться.
Кремний для современных компьютеров, телефонов, роботов и прочих стиральных машин такой же важный элемент, как углерод – для всего живого (именно углерод лежит в основе белков, из которых мы состоим). Во второй половине прошлого века, на волне бурного развития компьютерных технологий, в моде были фантастические размышления об альтернативных кремниевых формах жизни. Сегодня в самой что ни на есть реальности мы наблюдаем обратное явление: углерод имеет шансы заместить кремний в электронике. О том, что углеродные нанотехнологии позволят создавать компьютеры более мощные и менее энергозатратные, говорят уже около пятнадцати лет. Наконец первый примитивный, но рабочий компьютер на углеродных нанотрубках собран и работает в лаборатории Стэнфорда. Этому изобретению посвящен главный материал в вышедшем сегодня номере журнала Nature.
Эксперты по всему миру уже высказались в том духе, что мы наблюдаем переломный момент в области карбоновых цифровых технологий, которые лягут в основу гаджетов не только более эффективных, но и более легких, компактных, дешевых, а главное – холодных. Сооснователь Intel Гордон Мур еще в 1965 году предсказал, что количество транзисторов в компьютере будет удваиваться каждые два года (эта взятая с потолка сентенция даже называется законом Мура). Есть только одно неудобное обстоятельство: транзисторы нагреваются, и чем мощнее компьютер, чем больше в нем транзисторов, тем горячее системный блок. Это главное препятствие на пути развития кремниевых технологий. Углеродные нанотрубки могут стать альтернативной веткой цифровой эволюции благодаря очень ценному свойству – они не нагреваются (или нагреваются гораздо меньше силикатов).
Представьте себе слой графита – например, след простого карандаша на бумаге, только очень тонкий, толщиной всего в один атом. Этот слой состоит из правильных шестиугольников, в углах которых стоят атомы углерода. Если свернуть такой слой в цилиндр, как раз получится углеродная нанотрубка (УНТ) несколько нанометров толщиной и до нескольких сантиметров в длину. Волокно, сплетенное из нанотрубок, обладает необычными свойствами: оно настолько прочно, что есть даже идея построить из него вышку с лифтом, уходящим в космос. Кроме того, нанотрубки обладают свойствами полупроводника, который можно использовать вместо кремния в электронных чипах, – и это, в отличие от космического лифта, уже реальность.
На практике с транзисторами из УНТ всегда было две проблемы. Во-первых, при выращивании часть трубок металлизируется, то есть из полупроводника превращается в проводник, и волокно становится непригодно для транзистора. Во-вторых, часть трубок в транзисторе неправильно ориентируются и приводят к короткому замыканию. Стэнфордским инженерам удалось уладить и то и другое. Они придумали выжигать негодные трубки-проводники электрическим током (под напряжением они просто превращаются в углекислый газ), а чтобы избежать короткого замыкания, создали сложный алгоритм, который работает, даже если в контуре есть неправильно ориентированные волокна. В итоге получились транзисторы, способные включаться и выключаться в заданном режиме, то есть обладающие базовым свойством любых электронных мозгов. А поскольку волокно из тысяч таких нанотрубок тоньше человеческого волоса, можно представить, как немного электроэнергии и места в корпусе нужно для мощных компьютерных чипов на их основе.
Первый нанокомпьютер, созданный в Стэнфорде, состоит всего из 178 транзисторов. «Это, конечно, очень мало, – сказал в беседе со Slon Макс Шулакер, соавтор работы. – Это максимум, что мы смогли сделать в университетской лаборатории. Но если ту же технологию применить в промышленных масштабах, можно сделать гораздо больше. Главное, принципиально наш однобитовый компьютер ничем не отличается от современных 64-битовых машин, он просто меньше».
Шулакеру, к слову, 23 года, из которых пять лет он с другими аспирантами работал над УНТ-компьютером в команде под руководством профессоров Субасиша Митры и Филиппа Вонга.
Электроинженеры называют компьютером не привычную для нас машину с монитором и клавиатурой, а элементарное устройство, которое можно запрограммировать на алгоритмические действия. Плату с таким компьютером, способным складывать и сортировать числа, и создали стэнфордские ученые. «Особенно важно, что нам удалось доказать тьюринг-полноту нашей модели, – говорит Шулакер. – То есть с ним можно делать любые компьютерные вычисления, на него можно даже поставить Windows, если попутно снабдить его достаточной памятью».
Чтобы показать, что их компьютер работает, ученые использовали обычный блок памяти. «Конечно, кремний не исчезнет в один день, но тут важно, что все, что мы сделали, абсолютно совместимо с силикатами, – подчеркивает Шулакер. – Даже в одном чипе могут сочетаться нанотрубки и силиконовые транзисторы. Так что, вероятно, нас ждет переходный период, когда будет использоваться и то и другое. Главное, что мы нашли способ делать такие транзисторы».
Следующий этап – это разработать технологию промышленного производства УНТ-транзисторов, которые можно было бы собирать в достаточно мощные чипы, способные конкурировать с кремниевыми аналогами и позже вытеснить их. «У нас много друзей и единомышленников. И, например, IBM тоже занимается нанотехнологиями и уже доказала, что УНТ-компьютеры могут быть в десять раз энергоэффективнее обычных. Все люди хотят, чтобы смартфоны были тоньше и быстрее, а заряд держали дольше, поэтому никто в большой индустрии не настроен против нанотехнологий. Рано или поздно эти технологии дойдут до промышленного производства». На это, по словам Шулакера и других экспертов, уйдет не меньше восьми лет.
Источник: slon.ru
