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碳納米管晶片問世 未來或取代矽晶片


 
   【本報綜合報導】外媒稱,“矽谷”可能很快就會名不副實,用碳納米管而不是矽製成的晶片標誌著一個電腦技術的里程碑。
   據英國科學新聞網站8月29日報道,在一種新型微處理器中,電晶體——共同執行運算的微小電子開關——是用碳納米管而不是矽製造的。通過設計出能夠克服納米級缺陷——經常削弱單個碳納米管電晶體的功能——的技術,研究人員製造了首個利用數千個碳納米管電晶體來運行程式的電腦晶片。
   8月29日出版的英國《自然》週刊描述了這種晶片樣品,其速度和尺寸還趕不上商用矽晶片。但碳納米管電腦晶片最終可能帶來新一代更快、更節能的電子產品。
   未參與該研究的美國伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校的材料科學家曹慶說,這是“這項技術發展中的一個非常重要的里程碑”。
   每個電晶體的核心是傳統上由矽製成的半導體元件,這種元件既可作為電導體,也可作為絕緣體。電晶體的“開啟”和“關閉”狀態,即是否有電流流過半導體,在電腦數據上表達為1和0。麻省理工學院的電子工程師馬克斯·舒萊克說,通過製造更精巧的矽電晶體,“我們過去在計算方面每年都能獲得指數級增長”。但他說:“如今性能的增長開始趨於平穩。”矽電晶體不可能比現在體積更小和更高效了。
   由於碳納米管幾乎只有原子那麼厚,而且可以很好地傳輸電流,它們能製造出比矽更好的半導體。舒萊克說,大體上,碳納米管處理器的運行速度能比矽處理器快兩倍,而功耗只有矽處理器的三分之一左右。但迄今碳納米管被證明太難擺弄,無法構建複雜的計算系統。
   一個問題是,當把一個碳納米管網絡放到電腦晶片上時,碳納米管往往聚集成塊,讓電晶體無法工作。舒萊克說,這“就像試圖用磚建造一處庭院,而庭院中間有一塊大石頭”。他的團隊解決了這個問題,他們把納米管鋪在晶片上,然後利用振動把多餘的成捆納米管輕輕地從納米管層抖落。
   研究小組面臨的另一個問題是,每一批具有半導體性質的碳納米管都含有約0.01%的金屬型碳納米管。由於金屬型碳納米管無法在導電和絕緣之間正常翻轉,這些碳納米管可能把電晶體的讀數弄亂。
   為尋找變通辦法,舒萊克及其同事分析了金屬型碳納米管對不同電晶體配置的影響程度。研究人員發現,有缺陷的納米管對某些電晶體配置的功能影響更大——就像一個缺失的字母會讓某些單詞難以辨認,但可以讓另一些單詞基本可讀。因此,舒萊克及其同事精心設計了微處理器的電路,以避免最容易被金屬型納米管故障弄混的電晶體配置。
   美國威斯康星大學麥迪遜分校的材料科學家邁克爾·阿諾德說:“這篇論文給我留下了深刻印象的一大特點是,電路設計精巧。”
   由逾1.4萬個碳納米管電晶體組成的微處理器執行了一個簡單的程式,即編寫消息“你好,世界!”
   新製造的碳納米管微處理器尚未準備好取代矽晶片以成為現代電子技術的支柱。碳納米管電晶體的直徑大約為1微米,而目前矽電晶體的直徑僅為幾十納米。這個樣品中的每個碳納米管電晶體每秒能開關大約100萬次,而矽電晶體每秒能開關數十億次。這使得這些碳納米管電晶體與上世紀80年代生產的矽電晶體差不多。
   阿諾德說,縮小碳納米管電晶體的尺寸將有助於電流在較小的阻力下通過電晶體,從而使電晶體能夠更快地開關。將納米管平行排列,而不是使用隨機定向網格,也可以增加通過電晶體的電流,從而提高處理速度。

责任编辑:黄晨