Ett tvärvetenskapligt team av forskare och ingenjörer från The MITER Corporation och Harvard University har tagit viktiga steg mot ultrasmå elektroniska datorsystem som driver bortom det nära förestående slutet av Moores lag, som säger att enhetstätheten och den totala processorkraften för datorer kommer att fördubblas vartannat till vart tredje år. I en tidning som kommer att dyka upp denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , teamet beskriver hur de designade och monterade, från botten och upp, en fungerande, ultraliten kontrolldator som är det tätaste nanoelektroniska systemet som någonsin byggts.

Den extremt lilla, kontrollprocessor med ultralåg effekt – kallad en nanoelektronisk finite-state-maskin eller "nanoFSM" – är mindre än en mänsklig nervcell. Den består av hundratals nanotrådstransistorer, som var och en är en switch som är ungefär tiotusen gånger tunnare än ett människohår. Nanotrådstransistorerna använder väldigt lite ström eftersom de är "icke-flyktiga". Det är, omkopplarna kommer ihåg om de är på eller av, även när ingen ström tillförs dem.

I nanoFSM, dessa nanoswitchar är sammansatta och organiserade i kretsar på flera "plattor". Tillsammans, brickorna leder små elektroniska signaler runt datorn, gör det möjligt för den att utföra beräkningar och bearbeta signaler som kan användas för att styra små system, såsom små medicinska terapeutiska apparater, andra små sensorer och ställdon, eller till och med insektsstora robotar.

Under 2011, MITRE-Harvard-teamet visade en enda sådan liten bricka som kan utföra enkla logiska operationer. I sitt senaste samarbete kombinerade de flera brickor på ett enda chip för att producera ett första komplex i sitt slag, programmerbar nanodator.

"Det var en utmaning att utveckla en systemarkitektur och nanokretsdesigner som skulle packa de kontrollfunktioner vi ville ha i ett så mycket litet system, " enligt Shamik Das, chefsarkitekt för nanodatorn, som också är chefsingenjör och gruppledare för MITREs Nanosystems Group. "När vi hade de designerna, fastän, våra Harvard-samarbetspartners gjorde ett briljant jobb genom att förnya för att kunna förverkliga dem."

Konstruktionen av denna nanodator möjliggjordes av betydande framsteg i processer som med extrem precision sätter samman täta arrayer av de många nanoenheter som krävs. Dessa framsteg gjorde det också möjligt att tillverka flera kopior av nanoFSM, använda ett banbrytande tillvägagångssätt där, för första gången, komplexa nanosystem kan sättas ihop ekonomiskt nerifrån och upp i nära överensstämmelse med en redan existerande design. Tills nu, detta skulle kunna göras med industrins dyra, top-down litografiska tillverkningsmetoder, men inte med montering nedifrån och upp.

Av denna anledning, nanoFSM och sättet med vilket det gjordes representerar ett steg mot att utvidga den mycket ekonomiskt viktiga femdecenniumslånga trenden inom miniatyrisering enligt Moores lag, som har drivit elektronikindustrin. På grund av begränsningar för dess konventionella litografiska tillverkningsmetoder och på konventionella transistorer, många branschexperter har föreslagit att Moores lag-trenden snart kan ta slut. Vissa hävdar att detta kan inträffa om så lite som fem år och få negativa ekonomiska konsekvenser, såvida det inte finns innovationer inom både enhets- och tillverkningstekniker, såsom de som demonstreras av nanoFSM.

James Ellenbogen, chefsforskare för nanoteknik vid MITER och expert på utveckling av datorer integrerade på nanometerskala, sa, "NanoFSM och de nya metoderna som uppfanns för att bygga den är inte hela svaret för industrin. Men, Jag tror att de innehåller viktiga steg framåt inom två av nyckelområdena som elektronikindustrin har fokuserat på för att utvidga Moores lag."

Förutom Das och Ellenbogen, Utvecklingsteamet på MITER inkluderade James Klemic, företagets direktör för nanotekniklaboratoriet. Forskarna från MITRE - en pionjär inom nanoteknologiområdet sedan 1992 - samarbetade med ett tre-personers team vid Harvard, ledd av Charles Lieber, en världsledande nanoteknikutredare.