Nanocircuite

Nanocircuitele sunt circuite electrice la scară nanomatică , bine în domeniul cuantic . Un nanometru este egal cu ^10-9 metri sau un rând de 10 atomi de hidrogen. Cu circuite din ce în ce mai mici, există posibilitatea de a se potrivi mai multe dintre ele pe un cip de computer. Acest lucru permite funcții mai complexe, folosind mai puțină energie și o viteză de calcul mai mare. Nanocircuitele sunt organizate în trei părți distincte: tranzistoare , interconectări și arhitectură , toate distribuite la scară nanomatică.

Diverse abordări ale nanocircuitului

O varietate de propuneri au fost făcute pentru a implementa nanocircuitarea în diferite forme, inclusiv tranzitorii cu un singur electron , automatele cu celule cu puncte cuantice și zăvoarele transversale la scară nanomatică . Cu toate acestea, este probabil ca abordările pe termen scurt să se bazeze pe încorporarea nanomaterialelor pentru a îmbunătăți proiectarea MOSFET-urilor , care formează în prezent baza majorității proiectelor de circuite analogice și digitale și scalarea la care conduce legea lui Moore . Un articol de revistă ^{[1] [2]} legat de proiectul MOSFET și viitorul său a fost publicat în 2004, comparând diferite geometrii ale MOSFET-urilor la scară mică, menționând că FET-urile cu canal vertical cu secțiune circulară sunt optime pentru reducerea scării. Această configurație poate fi implementată cu o densitate mare utilizând canale semiconductoare cilindrice verticale cu diametre nanometrice, în timp ce Infineon Technologies și Samsung au început cercetarea și dezvoltarea în această direcție așa cum se arată în unele brevete de bază ^{[3] [4]} folosind nanofire și nanotuburi de carbon în proiectarea MOSFET-urilor. Într-o abordare alternativă ^[5] , Nanosys este o nouă companie care folosește procese de depunere și aliniere bazate pe soluții pentru a modela matrice prefabricate de nanofire pe un substrat care servește ca canal lateral pentru un FET. Deși nu este la fel de scalabilă ca un singur nanofir FET, utilizarea mai multor nanofiruri prefabricate pe canal crește constant, reducând costurile de fabricație, deoarece procesele de imprimare cu volum mare pot fi utilizate pentru a depune nanofirele la o temperatură mai mică decât procedurile de fabricație convenționale. În plus, datorită depunerii la temperatură mai scăzută, o varietate mai largă de materiale (de exemplu, polimeri) poate fi utilizată ca suport pentru tranzistoare, deschizând ușa către aplicații electronice flexibile, cum ar fi hârtia electronică, panoul plat pliabil și celulele solare cu suprafață mare.

Metode de producție

Unul dintre conceptele fundamentale pentru înțelegerea nanocircuitelor este formularea legii lui Moore . Acest concept a apărut atunci când cofondatorul Intel Gordon Moore s-a interesat de costul tranzistoarelor, încercând să încapă cât mai multe pe un singur cip. Se stabilește astfel că numărul de tranzistoare care pot fi realizate pe un circuit integrat din siliciu - și, prin urmare, viteza de procesare a unui astfel de circuit - se dublează la fiecare 18-24 de luni. ^{[6] Cu cât} mai mulți tranzistori implantați pe un circuit, cu atât computerul va rula mai repede. Din acest motiv, oamenii de știință și inginerii lucrează împreună pentru a produce aceste nanocircuite, astfel încât milioane și poate chiar miliarde de tranzistoare să poată intra într-un singur cip. În ciuda cât de pozitiv poate suna acest lucru, există multe probleme care apar atunci când mulți tranzistori sunt împachetați împreună. Cu astfel de circuite mici, aveți tendința de a avea mai multe probleme decât circuitele mai mari, adică mult mai multe defecte. Circuitele la scară nano sunt mai sensibile la schimbările de temperatură, razele cosmice și interferențele electromagnetice decât circuitele de curent. ^[7] În primul rând, pe baza câtor mai mulți tranzistori sunt împachetați pe un cip, dezvoltarea lor va fi oprită sau încetinită grav din cauza dezvoltării unor fenomene, cum ar fi semnalele rătăcite pe cip, necesitatea de a disipa căldura în atât de multe ambalate strâns. dispozitive și dificultatea de a crea dispozitive. ^[7] Mulți cred că piața nanocircuitului va ajunge la echilibru în jurul anului 2015. În acest moment, costul unei instalații de fabricație este estimat la 200 de miliarde de dolari. Va exista un moment în care costul realizării unor circuite și mai mici va fi prea mare, iar viteza computerelor va atinge maximul. Din acest motiv, mulți oameni de știință cred că legea lui Moore nu se va menține pentru totdeauna și va ajunge în curând la vârf.

Există multe aspecte implicate în producerea acestor nanocircuite. Prima parte a organizării lor începe cu tranzistoare, dintre care majoritatea, în electronica actuală, utilizează tranzistoare pe bază de siliciu. Tranzistoarele sunt o parte integrantă a circuitelor în care servesc pentru a controla fluxul de energie electrică, transformând semnale electrice slabe în cele puternice și, de asemenea, controlând curentul electric, deoarece îl pot activa sau nu sau pot amplifica semnalele. Circuitele utilizează în prezent siliciul ca tranzistor, deoarece poate fi ușor comutat în stări conductoare și neconductoare. Cu toate acestea, în industria nanoelectronică, tranzistoarele ar putea fi molecule organice sau structuri anorganice la scară nanomatică. ^[8] Semiconductorii , care fac parte din tranzistoare, sunt realizați cu molecule organice în stare nano.

Al doilea aspect al organizării nanocircuitului este interconectarea, adică operațiile logice și matematice și firele care conectează tranzistoarele împreună. În nanocircuite, nanotuburile și alte fire groase de nanometri sunt utilizate pentru a conecta tranzistoarele împreună. De câțiva ani, nanofilele au fost fabricate din carbon. În anii precedenți, tranzistoarele și nanofilele au fost puse împreună pentru a produce circuitul. Cu toate acestea, oamenii de știință au reușit să producă un nanofir care să includă tranzistoare. În 2004, pionierul nanotehnologiei Charles Lieber și echipa sa de la Universitatea Harvard au fabricat un nanofir - de 10.000 de ori mai subțire decât o foaie de hârtie - care conține un șir de tranzistori. ^[9] În esență, tranzistoarele și nanofilele sunt deja pre-cablate astfel încât să elimine sarcina dificilă de a încerca să conecteze tranzistoarele împreună cu nanofilele.

Ultima parte a organizării nanocircuitului este arhitectura. Acest lucru a fost explicat ca modul global în care sunt conectate tranzistoarele, astfel încât circuitul să se poată conecta la un computer sau la alt sistem și să funcționeze independent de detaliile de nivel inferior. ^[8] Deoarece nanocircuitele sunt atât de mici, ele sunt sortite erorilor și defectelor. Oamenii de știință au găsit o cale de a ocoli acest lucru. Arhitectura lor combină circuite care au porți logice redundante și se interconectează cu capacitatea de a reconfigura structuri stratificate într-un cip. ^[7] Redundanța permite circuitului să identifice problemele și să se reconfigureze astfel încât să poată evita alte probleme pentru sine. Acest lucru permite, de asemenea, erori în poarta logică și totuși îl face să funcționeze corect fără a duce la rezultate greșite.

Aplicații potențiale și descoperiri importante

Oamenii de știință indieni au dezvoltat recent cel mai mic tranzistor din lume, care va fi utilizat în nanocircuite. Tranzistorul este realizat în întregime din nanotuburi de carbon, care sunt rulate în foi de atomi de carbon și sunt de o mie de ori mai subțiri decât un fir de păr uman. ^[10]

Circuitele utilizează în mod normal tranzistoare pe bază de siliciu, dar acestea le vor înlocui în curând. Tranzistorul are două ramuri diferite care se întâlnesc într-un singur punct, formând astfel o formă de Y. Curentul poate curge peste toate ambele ramuri și este controlat de o a treia ramură care permite sau nu permite tensiunea (pornită și oprită). Această nouă descoperire poate permite nanocircuitelor să-și păstreze pe deplin numele, deoarece pot fi realizate în întregime din nanotuburi. Înainte de această descoperire, circuitele logice foloseau nanotuburi, dar aveau nevoie de porți metalice pentru a putea controla fluxul curentului electric .

Probabil că cea mai mare aplicație potențială a nanocircuitelor are legătură cu computerele și electronica. Oamenii de știință și inginerii caută întotdeauna modalități de a construi computere mai rapide. Unii cred că, pe termen scurt, s-ar putea să vedeți deja hibrizi de micro și nano: siliciu cu un nano core - poate o memorie de computer de înaltă densitate care își păstrează conținutul pentru totdeauna. ^[8] Spre deosebire de proiectarea convențională a circuitelor, care trece de la plan la modelul fotografic cu cip, proiectarea nanocircuitului va începe probabil cu cipul - un amestec întâmplător de până la 1024 de componente și fire, dintre care nu toate vor funcționa - sculptându-le treptat în un dispozitiv util. ^[8] În loc de tradiționalul de sus în jos , abordarea de jos în sus este probabil să fie adoptată în curând din cauza dimensiunii subțiri a acestor nanocircuite. Probabil că nu totul din circuit va funcționa, deoarece, la nivel de nanometri, circuitele nano vor fi mai defecte și imperfecte datorită compactității lor. Oamenii de știință și inginerii au creat toate componentele esențiale ale nanocircuitelor, cum ar fi tranzistoarele, porțile logice și diodele, toate construite cu molecule organice , nanotuburi de carbon și semiconductori nanofirici. Singurul lucru care rămâne de făcut este să găsiți o modalitate de a elimina erorile create cu un dispozitiv atât de mic, iar nanocircuitele vor deveni un aspect al întregii electronice. Cu toate acestea, în cele din urmă va exista o limită pentru cât de mici pot deveni nanocircuitele, iar computerele și electronica își vor atinge viteza de echilibru.

Impact economic

Odată cu marile îmbunătățiri în reducerea dimensiunii circuitelor, vine o creștere a costului producerii acestor nano-componente. Oamenii de știință cred că într-o zi ușurința fabricării nanocircuitelor ar putea costa atât de mult încât să depășească 200 de miliarde de dolari. Costul crescut vine din dificultatea de a produce circuite care necesită mai mult timp și efort decât circuitele de astăzi. Instalația de fabricație va crea un nanocircuit brut - miliarde peste miliarde de dispozitive și cabluri care sunt destul de limitate în funcționare. Din exterior va apărea ca o bucată de material cu o mână de fire proeminente. ^[8] În cele din urmă, teoria legii lui Moore va trebui să ajungă la echilibru cu metodele de fabricație utilizate în prezent. Circuitele vor putea fi atât de rapide și de mici, fără a crea probleme majore. Costul producerii de nanocircuite mai bune va crește și mai mult, deoarece sunt necesari mai mulți bani pentru a dezvolta noi metode de fabricație și noi modalități de proiectare mai rapidă. Până atunci, companii precum Intel vor continua să prospere în sectorul nano-business, promițând cipuri mai rapide și mai bune decât colegii lor. Nanocircuitele ar putea avea în continuare problemele lor, dar asta nu va împiedica industriile să le producă în masă pentru a deveni cele mai avansate din punct de vedere tehnologic cu cel mai rapid produs.

Notă

Elemente conexe

• Legea lui Moore
• Nanotehnologie
• Istoria nanotehnologiei
• Aplicațiile nanotehnologiei
• Implicații în nanotehnologie