Ett team av Stanford -ingenjörer har byggt en grundläggande dator med kolnanorör, ett halvledarmaterial som har potential att lansera en ny generation elektroniska enheter som går snabbare, när du använder mindre energi, än de som är gjorda av kiselchips.

Denna oöverträffade prestation kulminerar år av ansträngningar från forskare runt om i världen för att utnyttja detta lovande material.

Prestationen rapporteras idag i en artikel på omslaget till Natur tidning skriven av Max Shulaker och andra doktorander i elektroteknik. Forskningen leds av Stanford -professorerna Subhasish Mitra och H.S. Philip Wong.

"Människor har pratat om en ny era av nanorörselektronik som rör sig bortom kisel, "sa Mitra, en elingenjör och datavetare, och Chambers Faculty Scholar of Engineering. "Men det har varit få demonstrationer av kompletta digitala system som använder denna spännande teknik. Här är beviset."

Experter säger att Stanford -prestationen kommer att förstärka ansträngningarna att hitta efterträdare till kiselchips, som snart kan stöta på fysiska gränser som kan hindra dem från att leverera mindre, snabbare, billigare elektroniska enheter.

"Kolnanorör (CNT) har länge ansetts vara en potentiell efterträdare till kiseltransistorn, "sade professor Jan Rabaey, en världsexpert på elektroniska kretsar och system vid UC Berkeley.

Men fram till nu har det inte varit klart att CNT kan uppfylla dessa förväntningar.

"Det råder ingen tvekan om att detta kommer att uppmärksamma forskare i halvledargemenskapen och locka dem att utforska hur denna teknik kan leda till mindre, mer energieffektiva processorer under det kommande decenniet, "Sa Rabaey.

Mihail Roco, senior rådgivare för nanoteknik vid National Science Foundation, kallade Stanford -verket "ett viktigt, vetenskapligt genombrott. "

Det var ungefär 15 år sedan som kolnanorör först formades till transistorer, strömbrytarna i hjärtat av digitala elektroniska system.

Men en övergripande uppsättning av brister i dessa kolnanorör har länge frustrerat ansträngningar att bygga komplexa kretsar med hjälp av CNT. Professor Giovanni De Micheli, chef för Institute of Electrical Engineering vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz, betonade två viktiga bidrag Stanford -teamet har gjort till denna globala insats.

"Först, de införde en process för att tillverka CNT-baserade kretsar, "De Micheli sa." För det andra, de byggde en enkel men effektiv krets som visar att beräkning är genomförbar med CNT. "

Som Mitra sa:"Det handlar inte bara om CNT -datorn. Det handlar om en riktningsändring som visar att du kan bygga något riktigt med hjälp av nanoteknologier som rör sig bortom kisel och dess kusiner."

Varför oroa sig för en efterträdare till kisel? Sådana bekymmer uppstår från de krav som designers ställer på halvledare och deras grundläggande arbetshästsenhet, de på-av-omkopplare som kallas transistorer.

I årtionden, framsteg inom elektronik har inneburit att krympa storleken på varje transistor för att packa fler transistorer på ett chip. Men när transistorerna blir tunnare slösar de bort mer kraft och genererar mer värme - allt i ett mindre och mindre utrymme, vilket framgår av värmen som kommer från botten av en bärbar dator.

Många forskare tror att detta kraftsvinnande fenomen kan stava slutet på Moores lag, uppkallad efter Intel Corp. medgrundare Gordon Moore, som förutspådde 1965 att densiteten hos transistorer skulle fördubblas ungefär vartannat år, leder till mindre, snabbare och, som det blev, billigare elektronik.

Men mindre, snabbare och billigare har också inneburit mindre, snabbare och varmare.

"Energispridning av kiselbaserade system har varit ett stort problem, "sade Anantha Chandrakasan, chef för elektroteknik och datavetenskap vid MIT och världsledande inom chipforskning. Han kallade Stanford -arbetet "ett viktigt riktmärke" för att flytta CNT mot praktisk användning. CNT är långa kedjor av kolatomer som är extremt effektiva vid ledning och kontroll av el. De är så tunna - tusentals CNT kan passa sida vid sida i ett människohår - att det tar väldigt lite energi att stänga av dem, enligt Wong, medförfattare till tidningen och Williard R. och Inez Kerr Bell Professor vid Stanford.

"Tänk på det som att kliva på en trädgårdsslang, ”Sa Wong.” Ju tunnare slangen är, desto lättare är det att stänga av flödet. "I teorin, denna kombination av effektiv konduktivitet och lågeffektomkoppling gör kolnanorör till utmärkta kandidater för att fungera som elektroniska transistorer.

"CNT kan ta oss åtminstone en storleksordning i prestanda utöver det där du kan projicera kisel kan ta oss, "Sade Wong. Men inneboende brister har stått i vägen för att använda detta lovande material till praktisk användning.

Först, CNT växer inte nödvändigtvis i snygga parallella linjer, som chipmakers skulle vilja.

Över tid, forskare har utarbetat knep för att växa 99,5 procent av CNT i raka linjer. Men med miljarder nanorör på ett chip, även en liten grad av felriktade rör kan orsaka fel, så det problemet kvarstod.

En andra typ av ofullkomlighet har också hindrat CNT -tekniken.

Beroende på hur CNT växer, en bråkdel av dessa kolnanorör kan bete sig som metalltrådar som alltid leder elektricitet, istället för att fungera som halvledare som kan stängas av.

Eftersom massproduktion är det slutliga målet, forskare var tvungna att hitta sätt att hantera felriktade och/eller metalliska CNT utan att behöva jaga dem som nålar i en höstack.

"Vi behövde ett sätt att designa kretsar utan att behöva leta efter brister eller ens veta var de var, "Sade Mitra. Stanford-tidningen beskriver en tvåsträngad metod som författarna kallar en" ofullkomlighetsimmun design ".

För att eliminera trådliknande eller metalliska nanorör, Stanford -teamet stängde av alla bra CNT. Sedan pumpade de halvledarkretsen full av elektricitet. All den elen koncentrerad i metalliska nanorör, som blev så heta att de brann upp och bokstavligen förångades till små puffar av koldioxid. Denna sofistikerade teknik kunde eliminera praktiskt taget alla metalliska CNT i kretsen på en gång.

Att kringgå de felriktade nanorören krävde ännu större subtilitet.

Så Stanford -forskarna skapade en kraftfull algoritm som kartlägger en kretslayout som garanterat fungerar oavsett om eller var CNT kan vara snedställda.

"Denna" imperfections-immune design "(teknik) gör denna upptäckt verkligen exemplarisk, "sa Sankar Basu, en programdirektör vid National Science Foundation.

Stanford-teamet använde denna ofullkomlighetsimmun design för att montera en grundläggande dator med 178 transistorer, en gräns som sätts på av att de använde universitetets chipstillverkningsanläggningar snarare än en industriell tillverkningsprocess.

Deras CNT -dator utförde uppgifter som räkning och nummersortering. Den kör ett grundläggande operativsystem som gör det möjligt att växla mellan dessa processer. I en demonstration av dess potential, forskarna visade också att CNT -datorn kunde köra MIPS, en kommersiell instruktionsuppsättning som utvecklades i början av 1980 -talet av dåvarande Stanford -ingenjörsprofessor och nu universitetspresident John Hennessy.

Även om det kan ta år att mogna, Stanford-tillvägagångssättet pekar på möjligheten till industriell produktion av halvledare av kolnanorör, enligt Naresh Shanbhag, professor vid University of Illinois i Urbana-Champaign och chef för SONIC, ett konsortium av nästa generations chipdesignforskning.

"Wong/Mitra -papperet visar löftet från CNT:er att utforma komplexa datorsystem, "Sa Shanbhag, tillägger att detta "kommer att motivera forskare någon annanstans" mot större insatser inom chipdesign utöver kisel.

"Detta är första nödvändiga steg för att ta kolnanorör från kemilaboratoriet till en verklig miljö, "sa Supratik Guha, chef för fysik för IBM:s Thomas J. Watson Research Center och en världsledare inom CNT -forskning.