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La primera computadora con nanotubos de carbono
Por primera vez, los investigadores han construido una computadora cuyo procesador central se basa completamente en nanotubos de carbono, una forma de carbono con notables propiedades materiales y electrónicas. La computadora es lenta y simple, pero sus creadores, un grupo de ingenieros de la Universidad de Stanford, dicen que muestra que la electrónica de nanotubos de carbono es un reemplazo potencial viable para el silicio cuando alcanza sus límites en circuitos electrónicos cada vez más pequeños.
Chip de tubo: Esta imagen de microscopía electrónica de barrido muestra una sección de la primera computadora con nanotubos de carbono. La imagen fue coloreada para identificar diferentes partes del chip.
El procesador de nanotubos de carbono es comparable en capacidades al Intel 4004 , el primer microprocesador de esa empresa, que se lanzó en 1971, dice Subhasish Mitra , ingeniero eléctrico de Stanford y uno de los colíderes del proyecto. La computadora, descrita hoy en la revista Naturaleza , ejecuta un conjunto de instrucciones de software simple llamado MIPS. Puede alternar entre varias tareas (contar y clasificar números) y realizar un seguimiento de ellas, y puede obtener datos y enviarlos de vuelta a una memoria externa.
El procesador de nanotubos está compuesto por 178 transistores, cada uno de los cuales contiene nanotubos de carbono de entre 10 y 200 nanómetros de largo. El grupo de Stanford dice que ha fabricado seis versiones de computadoras con nanotubos de carbono, incluida una que se puede conectar a hardware externo, un teclado numérico que se puede usar para ingresar números para sumar.
Aaron Franklin , un investigador del IBM Watson Research Center en Yorktown Heights, Nueva York, dice que la comparación con el 4004 y otros procesadores de silicio tempranos es acertada. Esta es una demostración excelente para las personas de la comunidad electrónica que han dudado de los nanotubos de carbono, dice.
El grupo de Franklin ha demostrado que los transistores de nanotubos de carbono individuales, de menos de 10 nanómetros, son más rápidos y más eficientes energéticamente que los hechos de cualquier otro material, incluido el silicio. El trabajo teórico también ha sugerido que una computadora con nanotubos de carbono sería un orden de magnitud más eficiente en energía que las mejores computadoras de silicio. Y la capacidad del nanomaterial para disipar el calor sugiere que las computadoras con nanotubos de carbono podrían funcionar a una velocidad increíble sin calentarse, un problema que establece límites de velocidad en los procesadores de silicio en las computadoras actuales.
Aún así, algunas personas dudan de que los nanotubos de carbono reemplacen al silicio. Trabajar con nanotubos de carbono es un gran desafío. Por lo general, se cultivan de una manera que los deja enredados, y aproximadamente un tercio de los tubos son metálicos, en lugar de semiconductores, lo que provoca cortocircuitos.
Durante los últimos años, Mitra ha colaborado con el ingeniero eléctrico de Stanford. Philip Wong , quien ha desarrollado formas de eludir algunos de los desafíos de los materiales que han impedido la creación de circuitos complejos a partir de nanotubos de carbono. Wong desarrolló un método para cultivar en su mayoría nanotubos muy rectos en cuarzo y luego transferirlos a un sustrato de silicio para hacer los transistores. El grupo de Stanford también cubre las áreas activas de los transistores con una capa protectora y luego elimina los nanotubos expuestos que se han descarriado.
Wong y Mitra también aplican un voltaje para apagar todos los nanotubos semiconductores de un chip. Luego pulsan una gran corriente a través del chip; los metálicos se calientan, se oxidan y se desintegran. Todas estas correcciones específicas de nanotubos, y el resto del proceso de fabricación, se pueden realizar en el equipo estándar que se utiliza para fabricar los chips de silicio actuales. En ese sentido, el proceso es escalable.
A finales del mes pasado a las Patatas fritas calientes , una conferencia de diseño de ingeniería realizada, casualmente, en Stanford, el director de la Oficina de Tecnología de Microsistemas en DARPA causó revuelo al discutir el fin de la electrónica de silicio. En una nota clave, Robert Colwell , ex arquitecto en jefe de Intel, predijo que ya en 2020, la industria de la computación ya no podrá seguir mejorando el rendimiento y los costos al duplicar la densidad de los transistores de silicio en los chips cada 18 a 24 meses, una hazaña denominada Ley de Moore después del cofundador de Intel, Gordon Moore, quien fue el primero en observar la tendencia.
Mitra y Wong esperan que su computadora muestre que los nanotubos de carbono pueden ser una respuesta seria a la pregunta de qué sigue. Hasta ahora, ninguna tecnología emergente se acerca a tocar el silicio. De todos los materiales emergentes y las nuevas ideas que se presentan como posibles salvadores (nanocables, espintrónica, grafeno, computadoras biológicas), nadie ha creado una unidad central de procesamiento basada en ninguno de ellos, dice Mitra. En ese contexto, ponerse al día con el rendimiento del silicio alrededor de 1970, aunque deja mucho trabajo por hacer, es emocionante.
Victor Zhirnov , especialista en nanoelectrónica en el Corporación de investigación de semiconductores en Durham, Carolina del Norte, es mucho más cautelosamente optimista. El procesador de nanotubos tiene 10 millones de veces menos transistores que los microprocesadores típicos de hoy en día, funciona mucho más lento y opera a cinco veces el voltaje, lo que significa que usa alrededor de 25 veces más energía, señala.
Parte de la lentitud de la computadora de nanotubos se debe a las condiciones en las que se construyó: en un laboratorio académico que utiliza lo que el grupo de Stanford tenía acceso, no en una fábrica estándar de la industria. El procesador está conectado a un disco duro externo, que sirve como memoria, a través de un gran conjunto de cables eléctricos, cada uno de los cuales se conecta a una clavija de metal grande en la parte superior del procesador de nanotubos. Cada uno de los pines a su vez se conecta a un dispositivo en el chip. Este paquete desordenado significa que los datos tienen que viajar distancias más largas, lo que reduce la eficiencia de la computadora.
Con las herramientas a mano, el grupo de Stanford tampoco puede fabricar transistores más pequeños que aproximadamente un micrómetro; compárelo con el anuncio de Intel a principios de este mes de que su próxima línea de productos se construirá con tecnología de 14 nanómetros. Sin embargo, si el grupo entrara en una fábrica de última generación, sus rendimientos de fabricación mejorarían lo suficiente como para poder fabricar computadoras con miles de transistores más pequeños, y la computadora podría funcionar más rápido.
Para alcanzar el excelente nivel de rendimiento que ofrecen teóricamente los nanotubos, los investigadores tendrán que aprender a construir circuitos integrados complejos formados por transitorios prístinos de un solo nanotubo. Franklin dice que los expertos en dispositivos y materiales como su grupo en IBM deben comenzar a trabajar en colaboración más cercana con diseñadores de circuitos como los de Stanford para lograr un progreso real.
Somos muy conscientes de que el silicio se está agotando y dentro de 10 años llegará a su fin, dice Zhirnov. Si los nanotubos de carbono van a ser prácticos, tiene que suceder rápidamente.