Un equipo de ingenieros de Stanford ha construido una computadora básica utilizando nanotubos de carbono, un material semiconductor que tiene el potencial de lanzar una nueva generación de dispositivos electrónicos que funcionan más rápido, mientras usa menos energía, que los hechos de chips de silicio.

Esta hazaña sin precedentes culmina años de esfuerzos de científicos de todo el mundo para aprovechar este material prometedor.

El logro se informa hoy en un artículo en la portada de Naturaleza revista escrita por Max Shulaker y otros estudiantes de doctorado en ingeniería eléctrica. La investigación fue dirigida por los profesores de Stanford Subhasish Mitra y H.S. Philip Wong.

"La gente ha estado hablando de una nueva era de la electrónica de nanotubos de carbono que va más allá del silicio, "dijo Mitra, ingeniero eléctrico e informático, y el Becario de Ingeniería de la Facultad de Cámaras. "Pero ha habido pocas demostraciones de sistemas digitales completos que utilicen esta emocionante tecnología. Aquí está la prueba".

Los expertos dicen que el logro de Stanford impulsará los esfuerzos para encontrar sucesores de chips de silicio, que pronto podrían encontrar límites físicos que podrían impedirles entregar más pequeñas, más rápido, dispositivos electrónicos más baratos.

"Los nanotubos de carbono (CNT) se han considerado durante mucho tiempo como un posible sucesor del transistor de silicio, "dijo el profesor Jan Rabaey, un experto mundial en circuitos y sistemas electrónicos en UC Berkeley.

Pero hasta ahora no ha quedado claro que las CNT puedan cumplir esas expectativas.

"No hay duda de que esto llamará la atención de los investigadores de la comunidad de semiconductores y los incitará a explorar cómo esta tecnología puede conducir a procesadores más eficientes energéticamente en la próxima década, "Dijo Rabaey.

Mihail Roco, asesor senior de Nanotecnología en la National Science Foundation, llamó al trabajo de Stanford "un importante, descubrimiento científico."

Hace aproximadamente 15 años que los nanotubos de carbono se convirtieron por primera vez en transistores, los interruptores de encendido y apagado en el corazón de los sistemas electrónicos digitales.

Pero un abrumador conjunto de imperfecciones en estos nanotubos de carbono ha frustrado durante mucho tiempo los esfuerzos por construir circuitos complejos utilizando CNT. Profesor Giovanni De Micheli, director del Instituto de Ingeniería Eléctrica de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza, destacó dos contribuciones clave que el equipo de Stanford ha hecho a este esfuerzo mundial.

"Primero, pusieron en marcha un proceso para fabricar circuitos basados ​​en CNT, "Dijo De Micheli." Segundo, construyeron un circuito simple pero efectivo que muestra que la computación es factible usando CNTs ".

Como dijo Mitra:"No se trata solo de la computadora CNT. Se trata de un cambio de dirección que muestra que se puede construir algo real utilizando nanotecnologías que van más allá del silicio y sus primos".

¿Por qué preocuparse por un sucesor del silicio? Tales preocupaciones surgen de las demandas que los diseñadores imponen a los semiconductores y su unidad fundamental de caballo de batalla, esos interruptores de encendido y apagado conocidos como transistores.

Por décadas, El progreso en la electrónica ha significado reducir el tamaño de cada transistor para incluir más transistores en un chip. Pero a medida que los transistores se vuelven más pequeños, desperdician más energía y generan más calor, todo en un espacio cada vez más pequeño, como lo demuestra el calor que emana de la parte inferior de una computadora portátil.

Muchos investigadores creen que este fenómeno de pérdida de energía podría significar el fin de la Ley de Moore, llamado así por el cofundador de Intel Corp., Gordon Moore, quien predijo en 1965 que la densidad de transistores se duplicaría aproximadamente cada dos años, conduciendo a más pequeños, más rápido y, como se vio despues, electrónica más barata.

Pero más pequeño, más rápido y más barato también ha significado más pequeño, más rápido y más caliente.

"La disipación de energía de los sistemas basados ​​en silicio ha sido una gran preocupación, "dijo Anantha Chandrakasan, jefe de ingeniería eléctrica e informática del MIT y líder mundial en investigación de chips. Llamó al trabajo de Stanford "un punto de referencia importante" en el avance de los CNT hacia el uso práctico. Los CNT son largas cadenas de átomos de carbono que son extremadamente eficientes para conducir y controlar la electricidad. Son tan delgados (miles de CNT podrían caber uno al lado del otro en un cabello humano) que se necesita muy poca energía para apagarlos. según Wong, coautor del artículo y Williard R. e Inez Kerr Bell Professor en Stanford.

"Piense en ello como pisar una manguera de jardín, ", Dijo Wong." Cuanto más delgada es la manguera, más fácil es cortar el flujo ". En teoría, esta combinación de conductividad eficiente y conmutación de baja potencia hace que los nanotubos de carbono sean excelentes candidatos para servir como transistores electrónicos.

"Los CNT podrían llevarnos al menos un orden de magnitud en el rendimiento más allá de donde se puede proyectar que el silicio nos lleve, ", Dijo Wong. Pero imperfecciones inherentes se han interpuesto en el camino de poner en práctica este material prometedor.

Primero, Los CNT no necesariamente crecen en ordenadas líneas paralelas, como les gustaría a los fabricantes de chips.

Tiempo extraordinario, Los investigadores han ideado trucos para hacer crecer el 99,5 por ciento de los NTC en línea recta. Pero con miles de millones de nanotubos en un chip, incluso un pequeño grado de tubos desalineados podría causar errores, de modo que ese problema permaneció.

Un segundo tipo de imperfección también ha obstaculizado la tecnología CNT.

Dependiendo de cómo crezcan los CNT, una fracción de estos nanotubos de carbono puede acabar comportándose como cables metálicos que siempre conducen la electricidad, en lugar de actuar como semiconductores que se pueden apagar.

Dado que la producción en masa es el objetivo final, los investigadores tuvieron que encontrar formas de lidiar con los NTC metálicos o desalineados sin tener que buscarlos como agujas en un pajar.

"Necesitábamos una forma de diseñar circuitos sin tener que buscar imperfecciones o incluso saber dónde estaban, ", Dijo Mitra. El artículo de Stanford describe un enfoque de dos vertientes que los autores denominan" diseño inmune a la imperfección ".

Para eliminar los nanotubos metálicos o en forma de alambre, el equipo de Stanford apagó todos los CNT buenos. Luego bombearon el circuito semiconductor lleno de electricidad. Toda esa electricidad concentrada en los nanotubos metálicos, que se calentaron tanto que se quemaron y literalmente se vaporizaron en pequeñas bocanadas de dióxido de carbono. Esta sofisticada técnica fue capaz de eliminar prácticamente todos los CNT metálicos del circuito a la vez.

Pasar por alto los nanotubos desalineados requirió una sutileza aún mayor.

Entonces, los investigadores de Stanford crearon un poderoso algoritmo que traza un diseño de circuito que está garantizado para funcionar sin importar si los CNT pueden estar torcidos o dónde.

"Este 'diseño inmune a las imperfecciones' (técnica) hace que este descubrimiento sea verdaderamente ejemplar, "dijo Sankar Basu, un director de programa en la National Science Foundation.

El equipo de Stanford utilizó este diseño inmune a las imperfecciones para ensamblar una computadora básica con 178 transistores, un límite impuesto por el hecho de que utilizaban las instalaciones de fabricación de chips de la universidad en lugar de un proceso de fabricación industrial.

Su computadora CNT realizaba tareas como contar y clasificar números. Ejecuta un sistema operativo básico que le permite alternar entre estos procesos. En una demostración de su potencial, los investigadores también demostraron que la computadora CNT podía ejecutar MIPS, un conjunto de instrucción comercial desarrollado a principios de la década de 1980 por el entonces profesor de ingeniería de Stanford y ahora presidente de la universidad, John Hennessy.

Aunque podría llevar años madurar, el enfoque de Stanford apunta hacia la posibilidad de producción a escala industrial de semiconductores de nanotubos de carbono, según Naresh Shanbhag, profesor de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y director de SONIC, un consorcio de investigación de diseño de chips de próxima generación.

"El artículo de Wong / Mitra demuestra la promesa de los CNT en el diseño de sistemas informáticos complejos, "Shanbhag dijo, y agregó que esto "motivará a los investigadores de otros lugares" a realizar mayores esfuerzos en el diseño de chips más allá del silicio.

"Estos son los primeros pasos necesarios para llevar los nanotubos de carbono del laboratorio de química a un entorno real, "dijo Supratik Guha, director de ciencias físicas del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM y líder mundial en investigación de CNT.