Karbonowe nanorurki, czyli przyszłość procesorów

Karbonowe nanorurki to bardzo obiecująca technologia budowy procesorów, która może uwolnić branżę IT od ograniczeń krzemu. Czy faktycznie zastąpią krzem, nie jest jeszcze pewne.

Połączenie rozmiaru i możliwość szybkiego rozwoju w czasie może sprawić, że karbonowe nanorurki (CNT, Carbon Nanotubes) umożliwią dalszą miniaturyzację procesorów w tempie, jakie znamy. Jednakże te same czynniki mogą sprawić, że ta technologia okaże się ślepym zaułkiem. Rozmiar odnosi się do wymiarów nanorurek w porównaniu do silikonowych komponentów dzisiejszych procesorów. Zasadniczo CNT to rurka, której ścianki mają grubość pojedynczego atomu węgla. Sama rurka ma średnicę 1 nanometra (nm, czyli jedna miliardowa metra lub jedna tysięczna mikrona), ale jej długość może wynosić kilkadziesiąt mikronów. Mimo że rurki są wykonane z węgla, to świetnie przewodzą prąd dzięki przewodnictwu kwantowemu, co umożliwia propagację elektronów na całej długości rurki.

Z kolei szybki rozwój jest odniesieniem do prawa Moore’a, który zauważył, że liczba tranzystorów w procesorze podwaja się co dwa lata bez zwiększenia ich ceny. Zgodnie z tym prawem za osiem lat technologia krzemowa, która obecnie osiągnęła poziom 14 nm, zejdzie do poziomu atomowego. Wtedy branża nie będzie już dłużej w stanie rozwijać procesorów w tempie przewidzianym przez Gordona Moore’a. Czy wtedy technologia CNT o wielkości 1 nm będzie już gotowa? Główne prace projektowe nad procesorami CNT toczą się na Uniwersytecie Stanforda oraz w laboratoriach IBM Research. Naukowcy z obu ośrodków są optymistycznie nastawieni, ale jednocześnie ostrożni.

Zobacz również:

Badania na technologiami CNT są prowadzone m.in. w ośrodkach badawczych IBM.

Badania na technologiami CNT są prowadzone m.in. w ośrodkach badawczych IBM.

„Czujemy, że w CNT tkwi potencjał, aby w przyszłości zastąpić silikonowe procesory, jeśli rozwiążemy kilka najważniejszych problemów” – mówi Supratik Guha, dyrektor nauk fizycznych w IBM Research. „Mam nadzieję, że pewnego dnia CNT wejdą do powszechnego użytku” – mówi Max Shulaker, absolwent Uniwersytetu Stanforda i rzecznik uczelni w sprawach związanych z CNT.

Małe, ale poważne zawalidrogi

Wciąż nie rozwiązano problemu budowy układów CNT, aby zbliżyły się rozmiarami do krzemowych tranzystorów. Ponieważ pojedyncza nanorurka nie przenosi wystarczającego napięcia, aby tranzystor mógł funkcjonować, do utworzenie pojedynczego połączenia trzeb użyć pięciu lub sześciu równoległych rurek. Rurki powinny być poprowadzone w odległości 6-7 nm od siebie, aby zminimalizować interferencje. Większa separacja byłaby marnowaniem przestrzeni. „Obecnie jesteśmy w stanie rozmieścić je w odległości 100 nm, konieczne jest więc dalsze udoskonalanie” – mówi Guha. „To jest obszar, w którym potrzebujemy nowego, innowacyjnego spojrzenia. Przy obecnym poziomie separacji ta technologia nie ma żadnych przewag nad krzemem.”

Budowa obwodów krzemowych szerszych niż 30 nm nie stanowi problemu, ponieważ metalowe kanały w przypadku technologii 14 nm mają szerokość 50 nm, zauważa Linley Gwennap, szef The Linley Group i analityk branży półprzewodników. „W procesie technologicznym 14 nm nie ma nic o takim rozmiarze. Przykładowo, tranzystor w tym procesie technologicznym w procesorach Intela ma wielkość 10 nm.”

Guha wyraża obawy również o „czystość” włókien CNT. Konstrukcja obwodów wymaga stosowania rurek z pojedynczymi ściankami, ponieważ rurki mające dwie lub więcej ścianek mają inną charakterystykę elektryczną i ich obecność wprowadza niespójność. „Powinniśmy zachować jednolitość na poziomie 99,999 %,” – innymi słowy, wymagane jest stosowanie nanorurek o pojedynczych ściankach – „ale obecnie jesteśmy na poziomie 99,9%” – mówi Guha. „Jednak stale robimy postępy i jestem przekonany, że osiągniemy wymagany poziom.”

Z kolei Shulaker z Uniwersystetu Stanforda jako główną przeszkodę na drodze do komercyjnego sukcesu CNT wymienia konieczność poprawy rezystancji styku lub, mówiąc innymi słowy, łączności w punktach styku z innymi przewodnikami stosowanymi w komputerach, jak krzem i miedź. Punkty połączeń są niewielkie, ale tworzą dodatkowy opór elektryczny, co z kolei wymaga zwiększania napięcia, aby cały układ mógł funkcjonować. Ten problem występuje również w dzisiejszych układach silikonowych, mimo że projektanci pracują od dziesięcioleci nad jego rozwiązaniem.

Shulaker dostrzega również konieczność udoskonalenia metod „zabrudzania” nanorurek używanych do budowy tranzystorów. Chodzi o intencjonalne wprowadzanie niespójności, aby móc lepiej kontrolować właściwości elektryczne układy, a w konsekwencji poprawiać funkcjonowanie tranzystorów. „W technologii krzemowej opanowanie „zabrudzania” zajęło lata” – mówi Shulaker. „W CNT jesteśmy na poziomie, na którym krzem był na początku swojej kariery.” Naukowcy z IBM zmierzyli dystrybucję ładunków elektrycznych w nanorurce, której średnica było mniejsza niż 2 nm. To 50 tys. razy mniej niż średnica ludzkiego włosa. Ta technika, polegająca na interakcji między elektronami i fotonami, umożliwia dokładne zrozumienie charakterystyki elektrycznej CNT.

Ogólnie, problem z takimi technologiami, jak CNT, które miałyby zastąpić krzem, polega na tym, że „w laboratorium umożliwiają tworzenie świetnych rzeczy. Jednakże zainwestowanie w nie miliardów dolarów i uruchomienie produkcji na masową skalę, liczoną w milionach egzemplarzy miesięcznie, to zupełnie inny problem. Nanorurki wyglądają bardzo obiecująco w laboratorium, ale wciąż trzeba rozwiązać problemy z ich wytwarzaniem w środowisku produkcyjnym” – mówi Gwennap.

Napięte terminy

Różne problemy z CNT muszą zostać rozwiązane w określonych ramach czasowych, w przeciwnym razie prace nad tą technologią zostaną zarzucone z powodu obaw o niewystarczające możliwości rozwoju półprzewodników. Obecnie procesory są budowane w technologii 14 nm, za dwa lata mamy osiągnąć poziom 10 nm, a w ciągu czterech zejdziemy do wielkości 7 nm. Być może w ciągu sześciu lat uda się opracować proces produkcyjny 5 nm. Jednak 5 nm odpowiada szerokości 20 atomów węgla. Dalsza miniaturyzacja może być trudna, jeśli nie uda się opracować metod manipulowania pojedynczymi atomami. „Przed nami pozostały jeszcze trzy generacje technologii krzemowej – może cztery, jeśli ktoś jest optymistą. Po tych udoskonaleniach technologii krzemowej nie da się dalej rozwijać” – przewiduje Guha.

Nanorurki mają średnicę 1nm. Jednak wprowadzenie tej technologii wymaga rozwiązania problemów w określonym czasie, żeby branża mogła wprowadzić ją do swoich planów rozwoju. Zanim zacznie się produkować procesory, trzeba zbudować fabrykę. Dlatego technologia CNT musi w ciągu dwóch, trzech lat osiągnąć poziom umożliwiający jej praktyczne zademonstrowanie. W przeciwnym razie okno możliwości wprowadzenia tej technologii do produkcji zamknie się, a sama technologia przestanie być potrzebna. Jeśli problemy zostaną rozwiązane, to w ciągu sześciu, siedmiu lat na rynku mogą pojawić się pierwsze produkty komercyjne. Wtedy technologia CNT będzie rozwijana przez kolejną dekadę.

„Obecnie standardowa, krzemowa technologia budowy procesorów wygląda na tyle solidnie, że powinna umożliwić produkcję układów o wielkości 7 nm oraz może 5 nm – uważa Gwennap. „Karbonowe nanorurki mogą wejść do produkcji w ciągu sześciu do ośmiu lat. To długi czas, ale ta technologia jest już pod lupą osób, które szukają rozwiązania mogącego zastąpić krzem w procesorach.”

Nie wszyscy są przekonani, że problemy uda się rozwiązać w wymaganym czasie. „Nie sądzę, żeby karbonowe nanorurki były gotowe w ciągu siedmiu, czy nawet dziesięciu lat” – wypowiada się David Kanter, analityk z The Linley Group w raporcie na temat mikroprocesorów. „Wiemy, co będzie produkowane w najbliższych dwóch do czterech lat, natomiast każdy, kto uważa, że jest w stanie przewidzieć przyszłość dalej niż 10 lat naprzód, nie jest wiarygodny.”

Atrakcyjne właściwości CNT

Karbonowe nanorurki to puste w środku cylindry wykonane z atomów węgla, których średnica jest liczona w nanometrach (jedna milionowa część milimetra). Zostały odkryte w 1991 r. Od tego czasu są obiektem badań z uwagi na ich atrakcyjne właściwości umożliwiające wiele zastosowań. Mogą przewodzić prąd o wysokim napięciu. Stawiają niski opór elektryczny w porównaniu z miedzią. Mają niski opór termiczny porównywalny z atomem. Dlatego z ich wykorzystaniem można budować nie tylko procesory, ale również elementy procesorów służące do odprowadzania ciepła.

Mimo tych wszystkich problemów wiele wskazuje jednak na to, że technologia CNT ma potencjał, aby zastąpić krzem i umożliwić dalszy rozwój procesorów w tempie zgodnym z prawem Moore’a. Oczywiście przy założeniu, że nie znajdziemy sposobu na budowę jeszcze mniejszych tranzystorów krzemowych. „Aby zbudować tranzystor, potrzebny jest materiał mający trzy właściwości.” – wyjaśnia Shulaker z Uniwersytetu Stanford. „Po pierwsze, poniżej pewnego poziomu energii nie powinien przewodzić prądu (tzw. pasmo wzbronione), dzięki czemu układ może być włączany i wyłączany. Ten poziom musi mieć właściwą wartość. Jeśli jest za wysoki, mamy do czynienia z izolatorem, jeśli zbyt niski, to dany materiał jest metalem. Po drugie, materiał musi być cienki, ponieważ tranzystory są bardzo małe. Po trzecie, musi być bardzo dobrym przewodnikiem. Niestety niewiele jest materiałów, które mają te trzy cechy.”

CNT w parze z krzemem

Trzeba też pamiętać, że technologia krzemowa już kilkadziesiąt lat temu zdominowała branżę IT i zainwestowano w nią miliardy dolarów. Plusem CNT jest pełna zgodność z krzemem, ponieważ nanorurki można budować z wykorzystaniem podłoża krzemowego. CNT może być elementem nadbudowanym na układy krzemowe. Warstwę CNT można dodać do gotowego układu krzemowego, ponieważ ten proces odbywa się w temperaturze 120 stopni Celsjusza. Dodanie warstwy krzemu wymaga temperatury 900, więc nie da się go dodać do gotowego układu CNT.

Duże ilości energii w komputerach pochłania przenoszenie danych pomiędzy pamięcią operacyjną a procesorem, natomiast monolityczne, zintegrowane układy 3D, z tranzystorami i pamięcią umieszczonymi w stosie jedne na drugich przyniosłyby znaczne zwiększenie wydajności. „W ten sposób można zbudować cały komputer na jednej kości. Oprócz lepszej pracy tranzystorów to przyniosłoby również nowy typ systemów, które zaprowadziły IT do całkiem nowego świata” – mówi Shulaker. „Mam nadzieję, że pewnego dnia CNT wejdzie do użytku, ale jednocześnie wcale nie musi zastąpić krzemu. Obie technologie mogą funkcjonować równolegle, a nanorurki mogą być umieszczane na układach krzemowych. Dlatego nie muszą przejmować wszystkich zadań.”

Gwennap porównuje rozwój technologii procesorowej generacja po generacji do jazdy w dół ciemną drogą w nocy, kiedy zobaczyć można tylko to, co jest w światłach reflektorów samochodu. „W tej chwili wyraźnie widać procesy 10 nm oraz 7 nm, całkiem dobrze zarysowuje się również 5 nm. Jednak nikt nie wie, co stanie się potem” – mówi Gwennap. „Poniżej 5 nm wydaje się, że droga się kończy, ale byłbym ostrożny z taką oceną, mimo że sam powtarzam to od 20 lat i podobnie wypowiada się wiele innych osób. Jednak CNT może mieć wielkość tylko 1 nm. Jeśli z technologią krzemową udałoby się zejść niżej, wyeliminuje ona CNT. Jednak od dekad jesteśmy w sytuacji, w której możemy ze sporą pewnością przewidywać rozwój procesorów tylko na pięć lat do przodu. Tak również jest obecnie.”


TOP 200