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碳纳米管将取代硅成为处理器芯片材料

发布日期:2014-12-17

至少过去的五十年时间我们全部的计算机、游戏机、智能手机、汽车、媒体播放器甚至是闹钟的处理器核心都是由硅组成的。但是科学家和研究人员现在认为硅晶体处理器即将达到它们的极限。IBM公司的科学家们似乎已经找到了一种真实的方式抛开硅晶体而转向碳纳米管。

 


 

碳纳米管未来将取代硅成为处理器芯片材料

碳是自然界中多才多艺的元素,表现形式包括煤炭、铅笔芯和钻石等。它的表现形式之一是石墨烯。你可以把石墨烯想象成有点像分子组成的钢丝网:单个碳原子以六边格的形式结合在一起,形成只有一个原子厚的薄层。碳纳米管就是一张石墨烯薄片卷起来形成的一个圆柱。碳纳米管的长度超过它的宽度1亿倍。那对我们来说仍然是很微小的,但是碳纳米管能够比任何其它已知的圆柱形纳米结构都要大的多。如果你想要设计处理器芯片这样的小物品时那是非常有用的特征。

像硅、碳纳米管也是半导体,而且理论上在某些情况下导电性是铜的百倍。这就使它们它们成为为数不多能够在芯片设计上取代硅的材料之一。指望使用碳纳米管制造处理器的芯片设计师面临一个主要问题:如何处理它们并且把它们安置成为处理器所需要的各种各样模式。目前的芯片制造商基本上都是将硅晶片嵌入到导电材料的图层中,然后使用化工产品或者激光和粒子束蚀刻的方法来刻绘出线路和个体三极管。晶体三极管是数字处理器的绝对核心,不仅负责存储而且负责设备中的代码运行。传统的蚀刻技术制作的晶体管不会使用纳米管,但是IBM公司的研究人员提出一项新的技术能够使碳纳米管灵巧的对准了蚀刻在晶片上的路线。

这些碳纳米管结合的多么紧密?根据IBM材料科学家詹姆斯-汉诺所说,大约每平方厘米存在十亿纳米管。使用碳纳米管打造的处理器能够使数字技术继续稳步前进。自从1958年开发出第一套集成电路,晶体管制造商的数量大约每两年就会翻一番。硅还没有走到路的尽头,芯片制造商已经开始为新一代或者说第二代硅芯片开发做准备。芯片正逐渐变得如此微小以至于都能够使用单个原子进行测量。这就为制造这种芯片设置了一个高门槛,制造商每生产一个处理器都需要执行十亿次原子精度的操作。

理论上说,碳纳米管制造的处理器能够比目前的晶体管技术更加的小。就像今天的处理器一样,更小的体积意味着消耗更少的能量。对于移动设备来说那就意味着更少的热量和更长的电池寿命。此外碳纳米管的电性能也意味着它们能够比硅晶体管实现更快的开关通断,这就意味着它们能够以比现在的芯片更快的速度进行运转。因此纳米管处理器将更小、更快,而且由于它们是由碳组成,或许也就更环保。事实上并非如此,尽管碳纳米管确实比许多高科技产品中的材料给环境带来较小的危害,制造碳纳米管处理器的过程不太可能比制作硅晶片更环保,更不用期待它们能够实现生物降解了。同样的,这种芯片仍然难以制造而且昂贵。就像今天最新、最快的芯片只能够为最华丽的高端设备使用。碳纳米管处理器或许将是计算机的未来技术,但是它们出现在零售商的货架上还需要很长一段时间。

文章来源:腾讯科学

 

 


 

 

 

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