Редактор «Гиктаймс»
612,7
рейтинг
26 сентября 2013 в 20:47

Первый процессор из углеродных нанотрубок


4-дюймовая пластина содержит микропроцессоры из углеродных нанотрубок

Миниатюризация электроники — главная движущая сила компьютерной революции, она позволила добиться нынешней мощности и энергоэффективности компьютеров. И хотя прогресс в кремниевых микросхемах ещё продолжается, но появляются и более совершенные технологии производства электроники.

Одно из самых перспективных направлений — углеродные нанотрубки. Учёные уже собирали из них отдельные транзисторы (первый показали в 1998 году) и убедились, что уникальный материал обеспечивает гораздо более высокую энергоэффективность при таком же быстродействии, что и кремниевые транзисторы.

Но сейчас произошло историческое событие, которое наверняка войдёт в учебники. Группа учёных из Стэнфордского университета собрала первый в истории полноценный процессор целиком из углеродных нанотрубок. Научная работа заслуженно попала на обложку сегодняшнего номера журнала Nature.


Изображение с обложки журнала Nature, снимок процессора на углеродных нанотрубках со сканирующего электронного микроскопа, с обработкой в графическом редакторе


Настоящее фото со сканирующего микроскопа


Логическая схема процессора

Как и первые в истории ламповые ЭВМ, этот процессор обладает совсем слабыми техническими характеристиками и смешной производительностью. Фактически, он выполняет арифметические операции даже медленнее, чем человек. Частота процессора всего 1 кГц (зато он двухпоточный). Но это всё равно принципиально важное концептуальное достижение, которое открывает новую страницу в истории компьютерной техники.

Собранный в Стэнфорде процессор из углеродных нанотрубок состоит всего из 178 транзисторов. Этого достаточно, чтобы выполнять 20 операций из стандартного набора MIPS (см. схему внизу) — по крайней мере, столько уже протестировано на углеродной микросхеме, так что на ней можно запускать довольно сложные программы.

Статья на сайте Nature (платный доступ), зеркало 1, зеркало 2.


Выполнение алгоритма пузырьковой сортировки

Для сравнения, вот как выглядела первая в мире интегральная схема, за которую Джек Килби в 2000 году получил Нобелевскую премию.


Так что каждое большое дело начинается с маленького первого шага.
Анатолий Ализар @alizar
карма
682,6
рейтинг 612,7
Редактор «Гиктаймс»
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (67)

  • 0
    собрала первый в истории полноценный компьютер (процессор)

    Таки компьютер или процессор?
    • +12
      Здесь, видимо, Computer в прямом смысле — «Вычислитель»
      • 0
        То бишь АЛУ?
        • +6
          Единственный функциональный блок — АЛУ.
          Плюс — ветвление, выборка и память.
          • +5
            Память и управление (инструкции хранятся полностью декодированными, как классический микрокод) — внешние, показаны серым: www.nature.com/nature/journal/v501/n7468/fig_tab/nature12502_SF3.html

            image

            Ветвления как такового нет, один из результатов с АЛУ передается в память микрокода для выбора четной либо нечетной инструкции (Next Instr Addr [0]) из текущей пары ([4:1]). Второй результат пишется в память данных

            Здесь пример микрокода (32 инструкции): www.nature.com/nature/journal/v501/n7468/fig_tab/nature12502_F1.html
            image
            • 0
              По подсчетам Jan Gray (автора нескольких микропроцессоров для FPGA), в этом компьютере использовано 178 CNFET транзисторов. При реализации на современной FPGA вместе с памятью «компьютер» займет около 8 LUT. Для сравнения — в младшем Spartan-6 (XC6SLX4) таких LUT 2,4 тысячи (600 slices*4).
  • +1
    178 транзисторов? что то не верится…
    4 транзистора нужно для элемента NAND2.
    8 транзисторов для одного RS триггера.
    из 178 транзисторов и 8ми битный дата регистр наверное не получится сделать, не то что процессор…
    • +7
      внимательно на схему посмотрите. одноразрядные данные.
    • +4
      наврал, 3хбитные: [2:0]
      • +3
        да и я каюсь — не доглядел.
        Но даже и 14 D- триггеров, которые там нарисованы — сколько нужно транзисторов?
        Опять же память команд и данных — они внешние? как-то из схемы не понятно.
        • +3
          Минимизация логических схем в действии.
      • +1
        Адресация данных 3хбитная, данные и АЛУ однобитные. Адресация инструкций 4 битная.
  • +1
    А какая у него получается производительность? И потребление?
    • +46
      Это как интересоваться про младенца — «а сколько он жмёт от груди? а за сколько он пробегает стометровку?»
      • +5
        Я и не ожидаю ответа «овер 9000». Мне просто интересно сколько ему расти, без всякой задней мысли.
        • +3
          дофига и больше. Он на уровне ламповых пока.
        • 0
          А зря, зря не ожидаете…
          Младенец жмёт от груди намного больше, чем «овер 9000» ;)
          • +1
            Хм, если пронормировать по массе, интересные цифры могут получится.
          • +1
            В основном младенцы прижимаются к груди, рефлекс ведь :-)
            • 0
              А вы ему бяку предложите какую-нибудь.
              • +4
                ах вот оно, как работает…

                *пошел искать будущего чемпиона
                • +1
                  Не искать надо, а делать… Заодно и демографию поправите. ;-)
                  • 0
                    Тогда придётся подыскать маму для бущего чемпиона. А вот с этим уже будут сложности :-(. Боятся меня мамы…
    • +3
      А на данном этапе разве сие так важно?
      Чуваки сделали что-то принципиально новое, первый серьезный шаг.
  • +7
    Как я радуюсь таким новостям, хоть и не слишком разбираюсь в процессорах и их конструкции, но то, что в науке и технике происходят такие глубокие изменения очень радует.
    • –9
      Морально устревшее x86 тормозит технику значительно сильнее чем отсутствие нанотрубок в процессорах /зануда
      • 0
        Морально устаревшее x86 действительно тормозит. Но от x86 можно избавится в любой момент: никаких фундаментальных ограничений на архитектуру нет, только спрос и совместимость.
        • +3
          К сожалению именно спрос и совместимость и являются фундаментальными ограничениями.

          Вы ещё попробуйте на досуге от QWERTY «избавиться», а я на вас погляжу и посмеюсь.
          • –1
            Зачем избавляться от QWERTY? Она морально устарела и тормозит прогресс?
            • +1
              она тормозит скорость печати, и придумана отнюдь не для удобства
              • 0
                Прогресс упёрся в скорость печати?
                • +1
                  да, и уже давно. всё ж упирается в бумагооборот. ускорим его — ускорим прогресс.
                  • 0
                    о_О
                    • 0
                      Вы не удивляйтесь — вы же давно на Хабре и могли наблюдать весь спектр мнений. :-)
                      • –4
                        И это я еще даже не начинал тролололить! Переход потребует ускорения крафта тринитротрололола, а для этого надо опять же от QWERTY отказаццо…
              • 0
                а для чего?
                • +4
                  Для того, чтобы при печати не зацеплялись рычаги друг за друга.
                  Буквы из наиболее частых последовательностей друг за другом стоят удалённо друг от друга.
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • 0
          Во первых, совместимость.
      • 0
        Так а в чем проблем, уже почти всё можно спокойно запускать на ARM.
        • 0
          Чота ПК у нас не на армах
          • 0
            Есть WinRT и сборки Linux под арм, так что ничего не мешает переходить
            • 0
              Я может не в теме, а если аналогично производительные ПК на АРМ как на x86? Т.е. чтобы digger не тормозил
              • 0
                Так чего вы на x86 жалуетесь тогда? Перевернули проблему с ног на голову! Так и говорите — проблема в медленных ARM не дотягивающих по производительности до x86.
      • +1
        Не особо тормозит. Современные x86 процессоры не выполняют x86 инструкции, они выполняют en.wikipedia.org/wiki/Microcode
        • –1
          Как это влияет на устоявшуюся архитектуру процессора?
          • +3
            Очень любопытным образом — современные x86 процессоры на самом деле вовсе не x86, а разные вариации на тему RISC архитектуры, с оболочкой, которая транслирует x86 инструкции в микрокод.
  • +5
    Первая картинка как бы связывает тему нанотрубок и бадминтона
    • +1
      А мне почему кажется, что это настольный теннис, а не бадминтон.
  • 0
    хотелось бы увидеть картинки уровня электроники и не схемотехники и сигнала. Иначе непонятно, будет ли процессор в дальшейшем работать побыстрее…
  • +1
    Знающие, объясните, пожалуйста, почему прямо сейчас невозможно собрать настоящий процессор на углеродных нанотрубках? Понимаю, что «надо учиться», «ещё не умеют», но почему? Какие препятствия?
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • +4
      Основная проблема — это построение таких процессоров. Если на кремниевых кристаллах можно нанести металл фото- или электронной литографией, то с нанотрубками не всё так просто.
      Если их выращивать химической реакцией, что обычно делается в лабораториях, то возникает проблема доставки в нужное место и прикрипления-«припаивания». Если же выращивать их прямо на микросхеме — сложно избавиться от химического «мусора».
      Так что это сложный технологический процесс. Потому даже такой маленький шаг (вроде бы), на самом деле потребовал нескольких лет разработки.
      • +4
        А вот и описание процесса из самой статьи:
        (CNT — carbon nano-tube (углеродная нано-трубка))

        METHODS SUMMARY
        The fabrication process is depicted in Extended Data Fig. 1. The CNTs are grown
        on a quartz substrate to yield highly aligned CNTs14, and are transferred onto the
        target SiO2 wafer14. Before CNT transfer, the wafer undergoes processing to define
        bottom-layer wires and the local back gates of the transistors28. Lithographically
        defined trenches are etched using a combination of dry plasma etch followed by
        wet etch, and are filled by electron-beam evaporation of platinum and smoothed
        by a subsequent plasma sputter etch. A 24-nm high-k dielectric of Al2O3 is deposited
        by atomic-layer deposition, and contact holes are etched through this layer to the
        embedded metal wires and gates through another combined dry- and wet-etch
        process. After CNT transfer, the source and drain (bilayers of palladium and pla-
        tinum) are lithographically defined through a lift-off process, and mis-positioned
        CNTs are etched away using optical lithography followed by oxygen plasma15. A
        metal layer of gold is lithographically patterned with lift-off and connects every
        other source and drain, and separately connects every gate, effectively forming a
        single CNFET composed of all of the single CNFETs in parallel.
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • 0
    А у меня вопрос вот какой (дискуссионный, разумеется).

    Каковы наши реальные шансы занять серьезное место в мире по этой теме? Вроде ж нанотехнологиями не перый год занимаемся :)
    • 0
      Никаких. У нас хим. промышленность и наука давно падает глубоко и надолго, а без них ничего такого не сделать.
      • –2
        Ну вот разные же мнения есть.

        Я вот заметил у себя стереотип о том, что по электронике мы догоняем, догоняем, «они никогда не побеждали монгол, и отцы их никогда не побеждали монгол», а вдруг это уже не вполне так, объективно?
        • +1
          Приводить в пример ruxpert, все-равно что ссылаться на познавательное.тв. Там вранье на вранье же.
          • 0
            А где узнать о положении дел точнее?
        • 0
          Я что-то не понял… как можно ссылаться на источник, который заявляет такое «В настоящий же момент население России растёт: в 2012 году впервые с 1991 года будет зафиксирован небольшой естественный прирост населения. При этом рост идёт не за счёт мигрантов» без малейших доказательств и даже без криков по телевизору «Уря, мы вылезли из чёртова русского креста»?

          А по поводу, где узнать точнее… Ну на хабре или каком ином родственном ресурсе с годик назад читал статью о попытках запустить у нас производство связанное с кремнием (вот не помню — то ли микроэлектроника, то ли кремниевые солнечные батареи, то ли ещё что) и о том, что вынуждены были сперва открыть линию в Германии (на тот момент до России руки у них так и не дошли, как сейчас не знаю). А проблема была в том, что необходимые хим. реагенты нужного качества в России достать конечно можно… но покупая из-за рубежа и тратя нереальное время на таможне.
    • +4
      И как успехи у тех, кто занимается нанотехнологией? Нобелевские лауреаты Новоселов и Гейм почему-то в Манчестере ими занимаются. Точнее, я даже могу сказать, почему: потому что в России заниматься нанотехнологией и кормить семью на эти деньги нельзя.
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +3
    <holywar>
        А долина будет «Карбоновая» или «Углеродная»?
    • 0
      Была бы долина, а название придумается.
  • –2
    Что ни прорыв — Стэнфорд. Чувствуется мы в «вперде».

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.