Los ingenieros de Stanford y la Universidad del Sur de California han encontrado una forma de diseñar circuitos que contienen nanotubos de carbono que deberían funcionar incluso cuando muchos de los nanotubos están torcidos o desalineados. Crédito:Subhasish Mitra, Escuela de Ingeniería de la Universidad de Stanford
Los nanotubos de carbono representan una desviación significativa de las tecnologías tradicionales de silicio y ofrecen un camino prometedor para resolver el desafío de la eficiencia energética en los circuitos de computadora. pero no están exentos de desafíos. Ahora, Los ingenieros de Stanford han encontrado formas de sortear los desafíos para producir las primeras estructuras lógicas digitales de obleas completas basadas en nanotubos de carbono.
La eficiencia energética es el desafío más importante que se interpone en el camino de la miniaturización continua de los sistemas electrónicos, y la miniaturización es el principal impulsor de la industria de los semiconductores. "A medida que nos acercamos a los límites últimos de la ley de Moore, sin embargo, el silicio tendrá que ser reemplazado para miniaturizar aún más, "dijo Jeffrey Bokor, subdirector de ciencia en Molecular Foundry en el Lawrence Berkeley National Laboratory y profesor en UC-Berkeley.
Para tal fin, Los nanotubos de carbono (CNT) son una desviación significativa de las tecnologías tradicionales de silicio y un camino muy prometedor para resolver el desafío de la eficiencia energética. Los CNT son nanoestructuras cilíndricas de carbono con características eléctricas excepcionales propiedades térmicas y mecánicas. Los circuitos de nanotubos podrían proporcionar una mejora de diez veces la eficiencia energética en comparación con el silicio.
El trabajo del equipo de Stanford fue presentado recientemente como un artículo invitado en el prestigioso International Electron Devices Meeting (IEDM), así como como un "artículo principal" en el prestigioso Transacciones IEEE sobre diseño asistido por computadora de circuitos y sistemas integrados .
Promesa temprana
Cuando se demostraron los primeros transistores de nanotubos rudimentarios en 1998, los investigadores imaginaron una nueva era de alta eficiencia, electrónica informática avanzada. Esa promesa sin embargo, aún no se ha realizado debido a las importantes imperfecciones materiales inherentes a los nanotubos que dejaron a los ingenieros preguntándose si los CNT alguna vez serían viables.
En los últimos años, un equipo de profesores de ingeniería de Stanford, estudiantes de doctorado, estudiantes universitarios y pasantes de secundaria, dirigido por los profesores Subhasish Mitra y H.-S. Philip Wong, asumió el desafío y ha producido una serie de avances que representan los elementos informáticos y de almacenamiento más avanzados creados hasta ahora con CNT.
"Los primeros CNT cautivaron a la comunidad de investigadores con sus excepcionales propiedades térmicas y mecánicas hace más de una década, pero este trabajo reciente en Stanford ha proporcionado el primer vistazo de su viabilidad para complementar los transistores CMOS de silicio, "dijo Larry Pileggi, Profesor Tanoto de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad Carnegie Mellon y director del Centro de Programas de Investigación Focus Center para Soluciones de Circuitos y Sistemas.
Esta es una imagen de microscopio electrónico que muestra transistores de nanotubos de carbono (CNT) dispuestos en un circuito lógico integrado. Crédito:Escuela de Ingeniería de la Universidad de Stanford
Principales barreras
Si bien ha habido logros significativos en los circuitos CNT a lo largo de los años, han llegado principalmente al nivel de un solo nanotubo. Quedan al menos dos barreras importantes antes de que los CNT se puedan aprovechar en tecnologías de impacto práctico:Primero, La alineación "perfecta" de los nanotubos ha demostrado ser casi imposible de lograr, la introducción de caminos conductores parásitos perjudiciales y funcionalidad defectuosa en los circuitos; segundo, la presencia de CNT metálicos (a diferencia de los CNT semiconductores más deseables) en los circuitos conduce a cortocircuitos, pérdida excesiva de energía y susceptibilidad al ruido. Ninguna técnica de síntesis de CNT ha producido hasta ahora nanotubos exclusivamente semiconductores.
"Los transistores de nanotubos de carbono son atractivos por muchas razones como base para densos, circuitos integrados energéticamente eficientes en el futuro. Pero, naciendo de la química, vienen con desafíos únicos a medida que intentamos adaptarlos a la microelectrónica por primera vez. El principal de ellos es la variabilidad en su ubicación y sus propiedades eléctricas. El trabajo de Stanford, que analiza el diseño de circuitos teniendo en cuenta dicha variabilidad, es, por tanto, un paso muy importante en la dirección correcta, "Supratik Guha, Director del Departamento de Ciencias Físicas del IBM Thomas J. Watson Research Center.
"Este es un trabajo muy interesante y creativo. Si bien hay muchos desafíos difíciles por delante, el trabajo de Wong y Mitra avanza a buen ritmo en la resolución de algunos de estos desafíos, "añadió Bokor.
Al darse cuenta de que mejores procesos por sí solos nunca superarán estas imperfecciones, Los ingenieros de Stanford lograron sortear las barreras utilizando un paradigma de diseño único inmune a las imperfecciones para producir las primeras estructuras lógicas digitales a escala de oblea completa que no se ven afectadas por CNT desalineados y mal colocados. Adicionalmente, abordaron los desafíos de los CNT metálicos con la invención de una técnica para eliminar estos elementos indeseables de sus circuitos.
Rasgos más llamativos
El enfoque de diseño de Stanford tiene dos características sorprendentes en el sentido de que no sacrifica prácticamente ninguna de la eficiencia energética de los CNT y también es compatible con los métodos de fabricación y la infraestructura existentes. impulsando la tecnología a un paso significativo hacia la comercialización.
"Esta investigación transformadora se vuelve aún más prometedora por el hecho de que puede coexistir con las tecnologías de silicio convencionales actuales, y aprovechar la infraestructura de diseño de sistemas y fabricación actual, proporcionar la característica fundamental de la viabilidad económica, "dijo Betsy Weitzman del Programa de Investigación Focus Center en 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.
