Des ingénieurs de Stanford et de l'Université de Californie du Sud ont trouvé un moyen de concevoir des circuits contenant des nanotubes de carbone qui devraient fonctionner même lorsque de nombreux nanotubes sont tordus ou mal alignés. Crédit :Subhasish Mitra, École d'ingénierie de l'Université de Stanford
Les nanotubes de carbone représentent une rupture significative par rapport aux technologies traditionnelles du silicium et offrent une voie prometteuse pour résoudre le défi de l'efficacité énergétique dans les circuits informatiques, mais ils ne sont pas sans défis. Maintenant, Les ingénieurs de Stanford ont trouvé des moyens de contourner les défis pour produire les premières structures logiques numériques à part entière basées sur des nanotubes de carbone.
L'efficacité énergétique est le défi le plus important qui s'oppose à la miniaturisation continue des systèmes électroniques, et la miniaturisation est le principal moteur de l'industrie des semi-conducteurs. "Alors que nous approchons des limites ultimes de la loi de Moore, cependant, il faudra remplacer le silicium pour miniaturiser davantage, " a déclaré Jeffrey Bokor, directeur adjoint pour la science à la Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory et professeur à l'UC-Berkeley.
À cette fin, les nanotubes de carbone (CNT) sont une rupture significative par rapport aux technologies traditionnelles du silicium et une voie très prometteuse pour résoudre le défi de l'efficacité énergétique. Les NTC sont des nanostructures cylindriques de carbone avec des propriétés électriques exceptionnelles, propriétés thermiques et mécaniques. Les circuits à nanotubes pourraient fournir une amélioration de dix fois l'efficacité énergétique par rapport au silicium.
Le travail de l'équipe de Stanford a été présenté récemment en tant que communication invitée au prestigieux International Electron Devices Meeting (IEDM) ainsi qu'en tant que « keynote paper » dans le très réputé Transactions IEEE sur la conception assistée par ordinateur de circuits et systèmes intégrés .
Promesse précoce
Lors de la démonstration des premiers transistors à nanotubes rudimentaires en 1998, les chercheurs ont imaginé une nouvelle ère de haute efficacité, électronique de calcul avancée. Cette promesse, cependant, est encore à réaliser en raison d'imperfections matérielles substantielles inhérentes aux nanotubes qui ont laissé les ingénieurs se demander si les NTC s'avéreraient un jour viables.
Au cours des dernières années, une équipe de professeurs d'ingénierie de Stanford, doctorants, étudiants de premier cycle, et les stagiaires du secondaire, dirigé par les professeurs Subhasish Mitra et H.-S. Philippe Wong, a relevé le défi et a produit une série de percées qui représentent les éléments de calcul et de stockage les plus avancés jamais créés à l'aide des CNT.
« Les premiers CNT ont séduit la communauté des chercheurs avec leur exceptionnelle puissance électrique, propriétés thermiques et mécaniques il y a plus d'une décennie, mais ce travail récent à Stanford a donné un premier aperçu de leur viabilité pour compléter les transistors CMOS au silicium, " a déclaré Larry Pileggi, Tanoto Professeur de génie électrique et informatique à l'Université Carnegie Mellon et directeur du Centre de programme de recherche du Centre Focus pour les solutions de circuits et de systèmes.
Il s'agit d'une image au microscope électronique montrant des transistors à nanotubes de carbone (CNT) disposés dans un circuit logique intégré. Crédit :École d'ingénierie de l'Université de Stanford
Principaux obstacles
Bien qu'il y ait eu des réalisations importantes dans les circuits CNT au fil des ans, ils sont venus principalement au niveau du nanotube unique. Au moins deux obstacles majeurs subsistent avant que les NTC puissent être exploités dans des technologies ayant un impact pratique :l'alignement "parfait" des nanotubes s'est avéré pratiquement impossible à réaliser, introduire des chemins conducteurs parasites nuisibles et une fonctionnalité défectueuse dans les circuits ; seconde, la présence de NTC métalliques (par opposition aux NTC semi-conducteurs plus souhaitables) dans les circuits conduit à des courts-circuits, fuite de puissance excessive et sensibilité au bruit. Aucune technique de synthèse de NTC n'a encore produit des nanotubes exclusivement semi-conducteurs.
« Les transistors à nanotubes de carbone sont attrayants pour de nombreuses raisons en tant que base de circuits intégrés économes en énergie à l'avenir. Mais, étant né de la chimie, ils présentent des défis uniques alors que nous essayons de les adapter à la microélectronique pour la première fois. Le principal d'entre eux est la variabilité de leur emplacement et de leurs propriétés électriques. Le travail de Stanford, qui envisage de concevoir des circuits en tenant compte de cette variabilité, est donc un pas extrêmement important dans la bonne direction, " Supratik Guha, Directeur du département des sciences physiques au IBM Thomas J. Watson Research Center .
"C'est un travail très intéressant et créatif. Bien qu'il y ait de nombreux défis difficiles à relever, le travail de Wong et Mitra progresse bien dans la résolution de certains de ces défis, " a ajouté Bokor.
Réalisant que de meilleurs processus à eux seuls ne surmonteront jamais ces imperfections, les ingénieurs de Stanford ont réussi à contourner les barrières en utilisant un paradigme de conception unique à l'abri des imperfections pour produire les toutes premières structures logiques numériques à pleine échelle qui ne sont pas affectées par les CNT mal alignés et mal positionnés. En outre, ils ont relevé les défis des NTC métalliques avec l'invention d'une technique pour éliminer ces éléments indésirables de leurs circuits.
Caractéristiques frappantes
L'approche de conception de Stanford a deux caractéristiques frappantes en ce sens qu'elle ne sacrifie pratiquement aucun de l'efficacité énergétique des NTC et qu'elle est également compatible avec les méthodes de fabrication et l'infrastructure existantes, pousser la technologie une étape importante vers la commercialisation.
"Cette recherche transformatrice est d'autant plus prometteuse qu'elle peut coexister avec les technologies traditionnelles du silicium d'aujourd'hui, et tirer parti de l'infrastructure de fabrication et de conception de systèmes d'aujourd'hui, fournir la caractéristique critique de la viabilité économique, " a déclaré Betsy Weitzman du programme de recherche Focus Center de la Semiconductor Research Corporation
The engineers next demonstrated the possibilities of their techniques by creating the essential components of digital integrated systems:arithmetic circuits and sequential storage, as well as the first monolithic three-dimensional integrated circuits with extreme levels of integration.
"Many researchers assumed that the way to live with imperfections in CNT manufacturing was through expensive fault-tolerance techniques. Through clever insights, Mitra and Wong have shown otherwise. Their inexpensive and practical methods can significantly improve CNT circuit robustness, and go a long way toward making CNT circuits viable, " said Sachin S. Sapatnekar, Editor-in-Chief, IEEE Transactions on CAD . "I anticipate high reader interest in the paper, " Sapatnekar noted.
