Il primo computer ai nanotubi di carbonio: funziona!

Di - 3 October 2013 - in
Rappresentazione artistica nanotubo di carbonio con stringa di bit

Un team di ricercatori di Stanford è riuscito a costruire il primo processore a nanotubi: si tratta di un circuito digitale basato su transistor a base nanotubi di carbonio (CNT). In questo articolo proveremo a fare chiarezza sulla dimostrazione effettuata da Max Shulaker e dal suo team e su quello che probabilmente sarà il mainstream nel campo dell’elettronica integrata nei prossimi anni.

Single walled carbon nanotube animation

 

I nanotubi di carbonio sono degli eccellenti conduttori, ma il loro processo di produzione, non del tutto controllabile e affetto da “difetti cristallografici”, genera in realtà un mix di nanotubi conduttori e semiconduttori. Questa scoperta, quasi casuale, ha portato la ricerca a domandarsi come potessero essere usati al posto del silicio nella produzione di transistor super miniaturizzati. Un primo passo, risolto da IBM già dal 2001, era quello di selezionare solo nanotubi semiconduttori: mediante la tecnica della “costruzione distruttiva” i nanotubi “metallici” venivano distrutti dallo stesso processo un istante dopo essere stati generati sul wafer di silicio lasciando integri solamente quelli semiconduttori (ovviamente su base statistica). Successivamente sono stati necessari più di 10 anni per realizzare il primo transistor a nanotubi funzionante al di sotto dei 10 nm.

Con il passare degli anni e il progredire della ricerca sul silicio siamo giunti a componenti tradizionali di dimensione paragonabile a quella dei transistor a CNT, ma questo rappresenta il limite massimo a cui si può spingere non tanto a causa della tecnica di costruzione, ma a causa della difficoltà nel controllare il flusso di elettroni: all’attuale livello (siamo nell’ordine dei 3 nm di lunghezza del canale, ancora in sperimentazione) iniziano a manifestarsi fenomeni quantistici che per loro natura e con le attuali tecnologie sono difficilmente controllabili. Se un cambio tecnologico deve dunque avere luogo, perché non esplorare l’alternativa rappresentata dai CNT?

I nanotubi hanno un prodotto potenza-ritardo (PDP: prodotto della media della potenza elettrica dissipata durante un evento di commutazione tra i due stati logici e la durata della commutazione, o switching) favorevole rispetto ai componenti in silicio di almeno un ordine di grandezza e questo è un punto di partenza di cruciale importanza per la decisione sul passaggio tecnologico: significa che sarebbe virtualmente possibile, a parità di potenza di calcolo, ottenere processori a “risparmio energetico” che consumino un decimo degli attuali.

Malgrado le sostanziali, e fondamentali, imperfezioni insite nella produzione dei transistor a nanotubi di carbonio, il team guidato da Max Shulaker è riuscito nell’impresa di costruire un computer funzionante con soli transistor CNT. Su questo “calcolatore” gira un sistema operativo capace di multitasking; nella dimostrazione vengono infatti eseguiti due distinti task simultaneamente: un conteggio e un ordinamento di numeri interi. Inoltre, per dimostrare che il calcolatore è generico sono inoltre state implementate una ventina di funzioni del set istruzioni commerciale ufficiale MIPS.

Il blocco funzionale di base del computer è il SUBNEG, una funzione particolarmente complicata che prende un numero da un indirizzo e lo sottrae a un altro in un secondo indirizzo; il risultato viene scritto sull’indirizzo del secondo numero: a seconda di questo (se è negativo o maggiore di 0) il programma esegue un diverso indirizzo di memoria come istruzione successiva. Utilizzando solo blocchi di questo tipo è possibile implementare qualunque set di istruzioni.
Funzione subneg e flusso programma computer CNT

a. Flowchart che mostra l’implementazione dell’istruzione SUBNEG.
b. Programma dimostrativo sul computer a CNT. Ciascuna riga rappresenta una istruzione SUBNEG completa. E’ composta da due indirizzi un indirizzo della istruzione successiva parziale. Il bit meno significativo (LSB) dell’indirizzo della funzione successiva è calcolato dall’unità aritmetica del computer, mentre il bit più significativo (MSB) dell’indirizzo dell’istruzione successiva indica il progamma in esecuzione, il contatore (Program 0) o il bubblesort.

Ovviamente il processore non è attualmente in grado neanche di essere paragonato, in termini di performance, capacità e dimensioni, a nulla che si trovi in commercio: per questo dovremmo essere ancora nel 1955, dato che conta solo fino a 32 e il suo clock sfiora 1 KHz; ma da un punto di vista di pura fattibilità l’ostacolo del posizionamento dei nanotubi sembra finalmente superato.

Che cosa manca adesso? Dimostrata la fattibilità occorre adesso concepire e ingegnerizzare un processo produttivo il meno “invadente” possibile per potersi integrare negli attuali insediamenti produttivi. Questa difficoltà potrebbe però rappresentare una grande opportunità di partire da zero per molte aziende interessate al mercato dei semiconduttori, considerato che i componenti di questo computer sono stati “cotti nel forno del campus di Stanford”.

Fonti:

  • Carbon nanotube computer – di Max M. Shulaker, Gage Hills, Nishant Patil, Hai Wei, Hong-Yu Chen, H.-S. Philip Wong & Subhasish Mitra – Published on Nature 501, 526–530 (26 September 2013) – doi:10.1038/nature12502
  • Sub-10 nm Carbon Nanotube Transistor – di Aaron D. Franklin, et al. Published on Nano Letters – doi: 10.1021/nl203701g
  • Engineers build first sub-10-nm carbon nanotube transistor
  • Success in operation of transistor with channel length of 3 nm
  • Design and analysis of low power Carbon Nanotube Field Effect Transistor (CNFET) D Flip-Flops (DFFs) – by Polat, O. Dept. of Electron. & Commun. Eng., Suleyman Demirel Univ., Isparta, Turkey and Manzak, A. – Published in: Computer Research and Development (ICCRD), 2011 3rd International Conference on. – doi: 10.1109/ICCRD.2011.5764223
  • Device and circuit-level performance of carbon nanotube field-effect transistor with benchmarking against a nano-MOSFET, Michael Loong Peng Tan, Georgios Lentaris and Gehan Amaratunga AJ – doi: 10.1186/1556-276X-7-467 (disponibile per intero qui: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3457859/)

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Michele Brami Articolo scritto da

Progettista di sistemi di automazione e supervisione industriali, appassionato di tecnologie e design innovativi. Ex-marinaio, sommergibilista a vita.

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