De buizencomputer is terug

Wetenschappers over de hele wereld proberen al jaren dit veelbelovende materiaal onder de knie te kregen en het is nu voor het eerst gelukt om er een computer mee te bouwen. Max Shulaker en enkele andere doctoraalstudenten beschrijven het resultaat in een recente editie van Nature. Hun onderzoek werd geleid door de Stanford-professoren Subhasish Mitra en H.S. Philip Wong.

"Koolstof nanobuisjes (CNT’s) worden al lang gezien als de opvolger van de silicium transistor", zegt professor Jan Rabaey van de UC Berkeley, een wereldwijd erkend deskundige op dit gebied. Maar tot nu toe was het niet duidelijk of CNT’s aan die verwachtingen kunnen voldoen.

"Het staat buiten kijf dat dit de aandacht zal trekken in de halfgeleidergemeenschap en dat het aanleiding zal zijn om uit te vinden hoe deze technologie kan leiden tot kleinere, efficiëntere processoren", verwacht Rabaey.

Imperfecties

Een jaar of vijftien geleden werden de eerste transistoren van nanobuisjes gemaakt. Maar een overweldigende hoeveelheid imperfecties in deze nanobuisjes maakte het vrijwel onmogelijk om er complexe schakelingen mee te bouwen. Professor Giovanni De Micheli, directeur van het Institute of Electrical Engineering op de École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland, attendeert op twee belangrijke bijdragen die het team uit Stanford heeft geleverd aan de wereldwijde inspanningen. "Ten eerste komen ze met een proces voor de producties van CNT-schakelingen", zegt De Micheli. "En ten tweede bouwden ze een simpel maar effectief circuit om aan te tonen dat computing met CNT’s mogelijk is."

Decennia lang betekende vooruitgang in de elektronica het verkleinen van de afmetingen van de transistor, om er zo meer op een chip te kunnen krijgen. Maar als transitoren kleiner worden, verspillen zij meer energie en genereren ze meer warmte – en dat in een kleinere ruimte. Veel onderzoekers denken dat de dissipatieproblemen het einde inluiden van de Wet van Moore.

Tuinslang

CNT’s zijn lange ketens koolstofatomen die buitengewoon efficiënt zijn in het geleiden en regelen van elektriciteit. Ze zijn zo dun dat er maar weinig energie voor nodig is om ze uit te schakelen. "Vergelijk het maar met het stappen op een tuinslang", zegt Wong. "Hoe dunner de slang, hoe makkelijker het is om de waterstroom af te sluiten."

"CNT’s zouden ons minstens een grootteorde verder moeten brengen dan wat mag worden verwacht van silicium", zegt Wong. Maar de inherente imperfecties stonden praktisch gebruik in de weg. Ten eerste groeien CNT’s niet noodzakelijkerwijs in nette parallelle lijnen, zoals de chipmakers graag zouden willen. Gedurende de jaren hebben onderzoekers trucjes toegepast om 99,5 procent van de CNT’s in rechte lijnen te laten groeien. Maar met miljarden nanobuisjes op een chip is de geringste afwijking al te veel. Een tweede soort imperfectie is het feit dat, afhankelijk van de manier waarop CNT’s groeien, een fractie ervan zich kan gaan gedragen als metaaldraadjes die altijd geleiden en dus niet functioneert als halfgeleider.

Omdat massaproductie het uiteindelijk doel is, moest de wetenschap op zoek naar manieren om met deze verkeerde uitlijning en metallische CNT’s om te gaan. Het artikel van Stanford beschrijft nu een tweeledige aanpak die het ‘imperfectie-immune ontwerp’ wordt genoemd.

Immuun

Om de metallische nanodraden te elimineren, schakelde het team van Stanford alle goede CNT’s in de uit-toestand. Vervolgens pompten ze de halfgeleiderschakeling vol met elektriciteit, die zich dan concentreerde in de metallische nanodraden. Die werden daardoor zo heet dat zij letterlijk verdampten in kleine pluimpjes kooldioxide. Op deze manier konden vrijwel alle metallische CNT’s in één keer worden verwijderd.

Het omzeilen van de verkeerd uitgelijnde CNT’s vroeg om nog wat meer creativiteit. De onderzoekers bedachten een krachtige algoritme die de circuitlayout zo ontwerpt, dat het niet uitmaakt of en waar CNT’s scheef zouden kunnen liggen.

Met dit imperfectie-immune ontwerp maakten de onderzoekers een simpele computer met 178 transistoren. Dat aantal werd begrensd doordat de eigen chipproductiefaciliteiten van de universiteit moesten worden gebruikt. Hun CNT-computer kon taken uitvoeren als tellen en getallen sorteren. Hij loopt op een elementair operating system, dat het mogelijk maakt om te schakelen tussen deze processen. Ook lieten de onderzoekers zien dat de computer MIPS kan uitvoeren, een commerciële instructieset die in de vroege jaren ’80 is ontwikkeld door de huidige president van Stanford, John Hennessy.

Hoewel de uitwerking van het nu aangetoonde principe nog jaren kan duren, is nu wel aangetoond dat productie op industriële schaal van CNT-halfgeleiders mogelijk moet zijn. De initiële stappen van het chemisch laboratorium naar de echte wereld zijn gezet.