Un chip hecho con nanotubos de carbono, no silicio, marca un hito informático

Un chip hecho con nanotubos de carbono, no silicio, marca un hito informático
Microprocesador con nanotubos de carbono
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Modificado por última vez en Jueves, 29 Agosto 2019 13:02
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El prototipo podría dar lugar a una nueva generación de productos electrónicos más rápidos y con mayor eficiencia energética

"Silicon Valley" pronto puede ser un nombre inapropiado.

Dentro de un nuevo microprocesador, los transistores, pequeños interruptores electrónicos que realizan cálculos colectivamente, están hechos con nanotubos de carbono, en lugar de silicio. Al diseñar técnicas para superar los defectos a nanoescala que a menudo socavan los transistores de nanotubos individuales, los investigadores han creado el primer chip de computadora que utiliza miles de estos interruptores para ejecutar programas.

El prototipo, descrito en la revista Nature del 29 de agosto, aún no es tan rápido ni tan pequeño como los dispositivos comerciales de silicio. Pero los chips de computadora de nanotubos de carbono pueden en última instancia dar lugar a una nueva generación de productos electrónicos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

Este es "un hito muy importante en el desarrollo de esta tecnología", dice Qing Cao, un científico de materiales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que no participa en el trabajo.

El corazón de cada transistor es un componente semiconductor, tradicionalmente hecho de silicio, que puede actuar como un conductor eléctrico o un aislante. Los estados de "encendido" y "apagado" de un transistor, donde la corriente fluye a través del semiconductor o no, codifican los 1s y 0s de los datos de la computadora.

Al construir transistores de silicio más delgados y pequeños, "solíamos obtener ganancias exponenciales en informática todos los años", dice Max Shulaker, ingeniero eléctrico del MIT. Pero "ahora las ganancias de rendimiento han comenzado a nivelarse", dice. Los transistores de silicio no pueden ser mucho más pequeños y más eficientes de lo que ya son.

Debido a que los nanotubos de carbono son casi atómicamente delgados y transportan electricidad muy bien, son mejores semiconductores que el silicio. En principio, los procesadores de nanotubos de carbono podrían funcionar tres veces más rápido mientras consumen aproximadamente un tercio de la energía de sus predecesores de silicio, dice Shulaker. Pero hasta ahora, los nanotubos de carbono han resultado demasiado delicados para construir sistemas informáticos complejos.

Microprocesador con nanotubos de carbono

Un problema es que, cuando una red de nanotubos de carbono se deposita en una oblea de chip de computadora, los tubos tienden a agruparse en grumos que impiden que el transistor funcione. Es "como tratar de construir un patio de ladrillos, con una roca gigante en el medio", dice Shulaker. Su equipo resolvió ese problema esparciendo nanotubos en un chip y luego usando vibraciones para sacudir suavemente los paquetes no deseados de la capa de nanotubos.

Otro problema que enfrentó el equipo es que cada lote de nanotubos de carbono semiconductores contiene aproximadamente 0.01 por ciento de nanotubos metálicos. Dado que los nanotubos metálicos no pueden cambiar correctamente entre conductores y aislantes, estos tubos pueden confundir la lectura de un transistor.

En busca de una solución alternativa, Shulaker y sus colegas analizaron cómo los nanotubos metálicos afectaron las diferentes configuraciones de transistores, que realizan diferentes tipos de operaciones en bits de datos. Los investigadores descubrieron que los nanotubos defectuosos afectaban la función de algunas configuraciones de transistores más que otras, de forma similar a la forma en que una letra faltante puede hacer que algunas palabras sean ilegibles, pero que otras sean más legibles. Entonces, Shulaker y sus colegas diseñaron cuidadosamente los circuitos de su microprocesador para evitar configuraciones de transistores que estaban más confundidos por fallas de nanotubos metálicos.

Microprocesador con nanotubos de carbono

"Una de las cosas más importantes que me impresionó acerca de este documento fue la inteligencia del diseño de ese circuito", dice Michael Arnold, un científico de materiales de la Universidad de Wisconsin–Madison que no participó en el trabajo.

Con más de 14.000 transistores de nanotubos de carbono, el microprocesador resultante ejecutó un programa simple para escribir el mensaje, "¡Hola, mundo!", el primer programa que aprenden a escribir muchos programadores de computadoras novatos.

El microprocesador de nanotubos de carbono recientemente creado aún no está listo para quitar los chips de silicio como el pilar de la electrónica moderna. Cada uno tiene aproximadamente un micrómetro de ancho, en comparación con los transistores de silicio actuales que tienen decenas de nanómetros de ancho.

Y cada transistor de nanotubos de carbono en este prototipo puede encenderse y apagarse aproximadamente un millón de veces por segundo, mientras que los transistores de silicio pueden parpadear miles de millones de veces por segundo. Eso pone a estos transistores de nanotubos a la par con los componentes de silicio producidos en la década de 1980.

Reducir los transistores de nanotubos ayudaría a que la electricidad los atraviese con menos resistencia, permitiendo que los dispositivos se enciendan y apaguen más rápidamente, dice Arnold. Y alinear los nanotubos en paralelo, en lugar de usar una malla orientada aleatoriamente, también podría aumentar la corriente eléctrica a través de los transistores para aumentar la velocidad de procesamiento.

Artículo científico: Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistors


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