Le premier ordinateur à nanotubes de carbone

Pour la première fois, des chercheurs ont construit un ordinateur dont le processeur central est entièrement basé sur des nanotubes de carbone, une forme de carbone aux propriétés matérielles et électroniques remarquables. L'ordinateur est lent et simple, mais ses créateurs, un groupe d'ingénieurs de l'Université de Stanford, affirment qu'il montre que l'électronique à nanotubes de carbone est un remplacement potentiel viable pour le silicium lorsqu'il atteint ses limites dans des circuits électroniques de plus en plus petits.

Puce de tube : Cette image de microscopie électronique à balayage montre une section du tout premier ordinateur à nanotubes de carbone. L'image a été colorée pour identifier les différentes parties de la puce.

Le processeur de nanotubes de carbone est comparable en capacités au Intel 4004 , le premier microprocesseur de cette société, sorti en 1971, dit Subhasish Mitra , ingénieur électricien à Stanford et l'un des co-responsables du projet. L'ordinateur, décrit aujourd'hui dans le journal La nature , exécute un jeu d'instructions logicielles simple appelé MIPS. Il peut basculer entre plusieurs tâches (comptage et tri des nombres) et en garder une trace, et il peut récupérer des données et les renvoyer vers une mémoire externe.

Le processeur de nanotubes est composé de 178 transistors, chacun contenant des nanotubes de carbone d'environ 10 à 200 nanomètres de long. Le groupe de Stanford a déclaré avoir fabriqué six versions d'ordinateurs à nanotubes de carbone, dont une qui peut être connectée à du matériel externe, un clavier numérique qui peut être utilisé pour saisir des nombres à ajouter.

Aaron Franklin , un chercheur de l'IBM Watson Research Center à Yorktown Heights, New York, affirme que la comparaison avec le 4004 et les autres premiers processeurs au silicium est appropriée. C'est une formidable démonstration pour les gens de la communauté électronique qui ont douté des nanotubes de carbone, dit-il.

Le groupe de Franklin a démontré que les transistors individuels à nanotubes de carbone, inférieurs à 10 nanomètres, sont plus rapides et plus économes en énergie que ceux constitués de tout autre matériau, y compris le silicium. Des travaux théoriques ont également suggéré qu'un ordinateur à nanotubes de carbone serait d'un ordre de grandeur plus économe en énergie que les meilleurs ordinateurs au silicium. Et la capacité du nanomatériau à dissiper la chaleur suggère que les ordinateurs à nanotubes de carbone pourraient fonctionner à une vitesse fulgurante sans chauffer, un problème qui fixe des limites de vitesse aux processeurs au silicium dans les ordinateurs d'aujourd'hui.

Pourtant, certains doutent que les nanotubes de carbone remplacent le silicium. Travailler avec des nanotubes de carbone est un grand défi. Ils sont généralement cultivés d'une manière qui les laisse dans un désordre emmêlé, et environ un tiers des tubes sont métalliques plutôt que semi-conducteurs, ce qui provoque des courts-circuits.

Au cours des dernières années, Mitra a collaboré avec l'ingénieur électricien de Stanford Philippe Wong , qui a développé des moyens de contourner certains des défis liés aux matériaux qui ont empêché la création de circuits complexes à partir de nanotubes de carbone. Wong a développé une méthode pour faire croître principalement des nanotubes très droits sur du quartz, puis les transférer sur un substrat de silicium pour fabriquer les transistors. Le groupe de Stanford recouvre également les zones actives des transistors d'un revêtement protecteur, puis grave les nanotubes exposés qui se sont égarés.

Wong et Mitra appliquent également une tension pour désactiver tous les nanotubes semi-conducteurs d'une puce. Ensuite, ils envoient un grand courant à travers la puce ; les métalliques s'échauffent, s'oxydent et se désagrègent. Toutes ces corrections spécifiques aux nanotubes - et le reste du processus de fabrication - peuvent être effectuées sur l'équipement standard utilisé pour fabriquer les puces de silicium d'aujourd'hui. En ce sens, le processus est évolutif.

À la fin du mois dernier à Frites chaudes , une conférence de conception technique organisée, par coïncidence, à Stanford, le directeur du Microsystems Technology Office de la DARPA a fait sensation en discutant de la fin de l'électronique au silicium. Dans une allocution, Robert Colwell , ancien architecte en chef d'Intel, a prédit que d'ici 2020, l'industrie informatique ne sera plus en mesure de continuer à améliorer les performances et les coûts en doublant la densité des transistors au silicium sur les puces tous les 18 à 24 mois, un exploit surnommé la loi de Moore. après le cofondateur d'Intel Gordon Moore, qui a le premier observé la tendance.

Mitra et Wong espèrent que leur ordinateur montre que les nanotubes de carbone peuvent être une réponse sérieuse à la question de la suite. Jusqu'à présent, aucune technologie émergente ne s'approche du silicium. De tous les matériaux émergents et nouvelles idées présentés comme des sauveurs possibles – nanofils, spintronique, graphène, ordinateurs biologiques – personne n'a fait d'unité centrale de traitement basée sur l'un d'eux, dit Mitra. Dans ce contexte, rattraper les performances du silicium vers 1970, même si cela laisse beaucoup de travail à faire, est passionnant.

Victor Zhirnov , spécialiste de la nanoélectronique au Société de recherche sur les semi-conducteurs à Durham, en Caroline du Nord, est beaucoup plus prudemment optimiste. Le processeur à nanotubes contient 10 millions de fois moins de transistors que les microprocesseurs classiques actuels, fonctionne beaucoup plus lentement et fonctionne à une tension cinq fois supérieure, ce qui signifie qu'il utilise environ 25 fois plus d'énergie, note-t-il.

Une partie de la lenteur de l'ordinateur à nanotubes est due aux conditions dans lesquelles il a été construit - dans un laboratoire universitaire utilisant ce à quoi le groupe de Stanford avait accès, et non dans une usine standard de l'industrie. Le processeur est connecté à un disque dur externe, qui sert de mémoire, via un gros faisceau de fils électriques, chacun étant connecté à une grande broche métallique au-dessus du processeur à nanotubes. Chacune des broches se connecte à son tour à un périphérique sur la puce. Cet emballage désordonné signifie que les données doivent parcourir de plus longues distances, ce qui réduit l'efficacité de l'ordinateur.

Avec les outils à portée de main, le groupe de Stanford ne peut pas non plus fabriquer des transistors d'une taille inférieure à environ un micromètre, à comparer avec l'annonce d'Intel plus tôt ce mois-ci que sa prochaine gamme de produits sera basée sur la technologie 14 nanomètres. Si, cependant, le groupe devait entrer dans une usine de pointe, ses rendements de fabrication s'amélioreraient suffisamment pour pouvoir fabriquer des ordinateurs avec des milliers de transistors plus petits, et l'ordinateur pourrait fonctionner plus rapidement.

Pour atteindre le superbe niveau de performances théoriquement offert par les nanotubes, les chercheurs devront apprendre à construire des circuits intégrés complexes constitués de transistors nanotubes uniques vierges. Franklin dit que les experts en dispositifs et matériaux comme son groupe chez IBM doivent commencer à travailler en collaboration plus étroite avec des concepteurs de circuits comme ceux de Stanford pour faire de réels progrès.

Nous sommes bien conscients que le silicium s'essouffle, et d'ici 10 ans il touche à sa fin, dit Zhirnov. Si les nanotubes de carbone doivent devenir pratiques, cela doit se faire rapidement.

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