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《IBM利用碳纳米管“生长”芯片 速度可提升10倍》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 姜山
  • 发布时间：2016-11-28

  • 北京时间11月15日消息，据外媒报道，硅在芯片领域的主导地位可能终结。多年来，研究人员和企业家希望碳纳米管能给芯片设计带来一场革命。从理论上说，这种分子水平的结构，能用来制造速度是现有产品6-10倍、能耗大幅降低的芯片。

    除更快和更节能的笔记本、智能手机芯片外，处理能力强大的微型处理器还可以催生新型技术，例如可弯曲计算机和可注射入体内的微型芯片，或杀死人体内癌细胞的纳米机器。

    现在，IBM一个研究团队称取得了技术突破，使纳米梦想向现实又迈近了一步。

    碳纳米管存在的问题是其尺寸。碳纳米管尺寸很小，操作相当困难，不适合采用传统芯片制造技术。IBM研究院材料科学家乔治·图利夫斯基(George Tulevski)及其团队，利用化学过程“诱骗”纳米管自己组装为需要的新结构。其方法更像是水晶生长而非雕刻塑像。

    最近数年纳米技术再次转热。去年，IBM研究院一个团队开发了一种新方法，在一个更小空间中封装更多碳纳米管晶体管。Nanotronics Imaging等公司开发出了显微镜，降低了制造纳米水平设备的难度。

    IBM研究院团队距离量产纳米管芯片尚有数年时间。因为硅芯片性能还在不断提高，IBM团队不仅需要开发纳米管处理器制造工艺，还需要使其性能超过硅芯片，这都需要时间。(编译/霜叶)

  • 原文来源：IBM;http://tech.ifeng.com/a/20161115/44493820_0.shtml
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    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-06-10
    • 如果我们的电子产品想要变得更小更快，就需要技术上的进步。 我们生活在一个由计算机电路驱动的世界。现代生活依赖于半导体芯片和硅基集成电路上的晶体管，它们可以开关电子信号。大多数晶体管使用丰富而廉价的硅元素，因为它既可以阻止也可以允许电流流动，它既是绝缘体又是半导体。 直到最近，挤压在硅芯片上的微型晶体管每年的体积都缩小一半。它造就了现代数字时代，但这个时代即将结束。随着物联网、人工智能、机器人技术、自动驾驶汽车、5G和6G手机这些计算密集型工作的问世，科技的未来岌岌可危。那么接下来会发生什么呢? 什么是摩尔定律？ 摩尔定律是计算能力的指数增长。早在1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔就观察到，一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番，而成本则减半。现在，这个时间是18个月，而且越来越长。事实上，摩尔定律不是定律，只是一个为芯片制造商工作的人的观察结果，但增长的时间意味着未来的密集计算应用可能受到威胁。 摩尔定律已死？ 没有，但是速度太慢了，硅芯片需要帮助。英国半导体应用公司Catapult的首席执行官Stephen Doran说：“在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中，硅正在达到其性能的极限。” 然而，他认为现在谈论硅的替代物还为时过早。他补充称：“这意味着硅将被完全取代，这在短期内不太可能发生，很可能永远不会发生。” Imagination Technologies营销传播副总裁David Harold表示：“至少在2025年之前，摩尔定律式的业绩提升仍有潜力。直到20世纪40年代，硅仍将主导芯片市场。” 计算机的第二个时代即将到来 仔细研究硅晶体管问题非常重要；作为一个概念，它并没有“死亡”，但是它已经超过了它的顶峰。Rambus内存和接口部门首席科学家Craig Hampel表示：“摩尔定律专门指的是由半导体制造的集成电路的性能，而且只记录了过去50多年的计算。” “人类对计算需求的增长趋势可追溯到算盘、机械计算器和真空管，并可能远远超出半导体（如硅），包括超导体和量子力学。” 超越硅是一个问题，因为未来的计算设备将需要更加强大和灵活。Harold说：“日益增加的计算问题是，未来的系统将需要学习和适应新的信息。它们必须‘像大脑一样’。再加上芯片制造技术的转型，它们将为计算创造革命性的第二个时代。” 什么是冷计算？ 一些研究人员正在研究用更少的能量获得高性能计算机的新方法。“数据中心或超级计算机的冷运行可以带来显著的性能、功耗和成本优势。”Hampel说。 微软的Natick项目就是一个例子，作为该项目的一部分，一个巨大的数据中心沉入了苏格兰奥克尼群岛海岸，但这只是一小步。进一步降低温度意味着漏电流更少，晶体管开关的阈值电压更低。 Hampel说：“它减少了延伸摩尔定律的一些挑战。”他补充说，对于这些类型的系统来说，自然的操作温度是77K（-270℃）的液氮。“大气中含有丰富的氮，以液态形式收集相对便宜，而且是一种有效的冷却介质。我们希望，在内存性能和功耗方面，或许能再延长4~10年的时间。” 什么是化合物半导体？ 下一代半导体由两种或两种以上的元素组成，这些元素的特性使它们比硅更快、效率更高。这是“机会”，它们已经在使用，并将有助于创建5G和6G手机。 Doran说：“化合物半导体结合了元素周期表中的两种或多种元素，例如镓和氮，形成氮化镓。”他解释说，这些材料在速度、延迟、光检测和发射等方面都优于硅，这将有助于实现5G和自动驾驶汽车等应用。 尽管它们可能与普通硅芯片一起使用，但化合物半导体将进入5G和6G手机，本质上使它们足够快、足够小，同时还具有良好的电池寿命。 Doran说：“化合物半导体的出现改变了游戏规则，它有潜力带来变革，就像互联网变革通讯领域一样。”这是因为，化合物半导体的速度可能比硅快100倍，因此可以为物联网增长带来的器件激增提供动力。 什么是量子计算？ 当你可以拥有量子世界的叠加和纠缠现象时，谁还需要经典计算机系统的开关状态呢？IBM、谷歌、英特尔和其他公司都在竞相使用量子比特（又称“qubits”）来制造具有强大处理能力的量子计算机，其处理能力远远超过硅晶体管。 问题是，在实现量子计算的潜力之前，量子物理学家和计算机架构师要实现许多突破，有一个简单的测试，量子计算界的一些人认为，在量子计算机问世之前，需要满足他们的要求：“量子至上”。 Hampel表示：“这只是意味着，在摩尔定律的道路上，量子机器比传统半导体处理器更擅长完成特定的任务。”到目前为止，实现这一目标仍然遥不可及。 英特尔在做什么？ 由于英特尔是制造硅晶体管的先驱，因此英特尔在硅基量子计算研究方面投入巨资也就不足为奇了。 英特尔销售与营销集团副总裁兼英国区总经理Adrian Criddle表示：“除了投资扩大需要在极低温度下存储的超导量子比特外，英特尔还在研究一种替代方法。替代架构基于‘自旋量子比特’，在硅片中运行。” 自旋量子比特使用微波脉冲来控制硅基器件上单个电子的自旋，英特尔最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至关重要的是，它使用硅和现有的商业制造方法。 Criddle解释说：“自旋量子比特可以克服超导方法带来的一些挑战，因为它们的物理尺寸更小，更容易微缩，而且可以在更高的温度下工作。更重要的是，自旋量子比特处理器的设计类似于传统的硅晶体管技术。” 然而，英特尔的自旋量子比特系统仍然只能接近绝对零度；冷计算将与量子计算机的发展密切相关。与此同时，IBM有一个50比特的处理器Q，而谷歌量子AI实验室有72比特的Bristlecone处理器。 石墨烯和碳纳米管怎么样？ 这些所谓的神奇材料有朝一日可能会取代硅。Doran说：“它们现有的电气、机械和热学特性远远超出了硅基器件所能达到的水平。”然而他警告说，可能需要很多年才能准备好迎接黄金时代。 他说：“硅基器件经过了几十年的改进，并随着相关制造技术的发展而发展。石墨烯和碳纳米管仍处于这一旅程的起点，如果它们要在未来取代硅，实现这一目标所需的制造工具仍然需要开发。” 原子时代 无论其他材料的前景如何，我们现在正处于原子时代。Harold说：“每个人都在考虑原子。我们的进展现在已经到了单个原子计数的阶段，甚至存储正在寻找在原子水平上工作的方法——IBM已经展示了在单个原子上存储数据的可能途径。”今天，创建1或0，即用来存储数据的二进制数字，需要10万个原子。 然而，这里有一个问题。Harold补充说：“作为存储或传输信息的手段，原子本质上不太稳定，这意味着需要更多的逻辑来纠正错误。”因此，未来的计算机系统很可能是各种技术的叠加，每一种技术都是为了弥补另一种技术的缺点。 因此，没有哪个答案可以将硅的寿命延长到下一个计算时代。化合物半导体、量子计算和冷计算都有可能在研发中发挥重要作用。计算机的未来很可能会出现机器的层级结构，但到目前为止，没有人知道明天的计算机会是什么样子。 Hampel表示：“虽然摩尔定律将会终结，但指数计算能力的长期和持久趋势很可能不会终结。”
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  • 《碳纳米管：个性十足的神奇材料》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-07-27
    • 　　近日，中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组，首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板，构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法，可直接得到纳米笼状结构，为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。 　　无独有偶。几乎在同时，以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员，使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管，为何如此受各国科学家追捧？ 　　空间结构像“挖空的足球” 　　1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空，保持表面的五角和六角网格结构，再沿着一个方向扩展六角网格，并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键，就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。 　　碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约0.34纳米，直径一般为2—20纳米。 　　“可以将碳纳米管联想为头发丝，而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一，即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者，作为典型的一维纳米结构，单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管，直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米，目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。 　　杜平武告诉记者，碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征，碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。 　　制备方法是挑战 　　“通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者，电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单，但很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。” 　　“随后科研人员又发展出了化学气相沉积法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷，得到的碳纳米管纯度比较高，但管径不整齐，形状不规则。”杜平武说，后续逐步发展起来的固相热解法等，均受限于环境和条件。 　　“碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似，其副反应复杂多样，很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说，在强酸、超声波作用下，碳纳米管可以先断裂为几段，再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。 　　“如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖，那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管，便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说，这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。 　　性能及尺寸超越硅基材料 　　“碳纳米管具有完美的一维管式结构，碳原子以碳—碳共价键结合，形成自然界中最强的化学键之一，因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键，所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说，碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面，具有超越传统的导电、导热特性等等。 　　2013年，斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年，碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破，势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。 　　碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜，用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。 　　碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管，科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位，结构均一性的控制方法和理论不断创新，控制指标也逐年刷新。”杜平武说。
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