Ingenieros de Stanford construyen computador básico utilizando nanotubos de carbono
Imagen tomada con microscopio de electrones de una sección de la primer computadora creada con nanotubos de carbono. (crédito: Butch Colyear)
Un equipo de ingenieros de Stanford ha construido una computadora básica utilizando nanotubos de carbono (CNTs) –un material semiconductor con el potencial de iniciar una nueva generación de dispositivos electrónicos más pequeños, con mayor rapidez y menor consumo de energía que los fabricados de silicio.
Esta hazana sin precedentes culmina años de esfuerzos de científicos de todo el mundo para aprovechar este prometedor pero escurridizo material.
El logro fue reportado hoy en la portada de la revista Nature, escrito por Max Shulaker, entre otros. La investigación fue encabezada por los profesores de Stanford, Subhasish Mitra y H.-S. Philip Wong.
“La gente ha estado hablando sobre la nueva era de la electrónica con nanotubos de carbono más allá del silicio”, dijo Mitra, ingeniero eléctrico y científico de computación. “Pero han habido muy pocas demostración de sistemas digitales completos utilizando está impresionando tecnología. Aquí tenemos ya la prueba”.
Giovanni De Micheli, director del Instituto de Ingeniería Eléctrica de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, en Suiza, resaltó dos contribuciones clave que el equipo de Stanford ha realizado a este esfuerzo mundial conjunto.
“Primeramente, crearon un proceso para crear circuitos basados en CNT”, dijo De Micheli. “En segundo término, construyeron un circuito simple pero efectivo para mostrar como se realiza la computación utilizando CNTs”.
Dijo que el trabajo de Stanford era un “logro mayor” hacia la utilización de CNTs en la práctica.
Los CNTs son cadenas largas de átomos de carbono que son extremadamente eficientes en conducir y controlar la electricidad. Son tan delgados –miles de CNTs ocuparían el espacio de un cabello humano– que toma muy poca energía apagarlos, de acuerdo con Wong, también autor del artículo.
“Piensa en ellos como pararse en una manguera en el jardín”, dijo Wong. “Mientras más delgada la manguera, más fácil resulta detener el flujo”.
En teoría, esta combinación de conductividad eficiente y poca energía requerida para apagado convierte a los nanotubos de carbono en candidatos excelentes para utilizarse como transistores electrónicos.
“Los CNTs nos podrían aumentar al menos 1 en orden de magnitud en rendimiento más allá de lo que un proyecto de silicio podría llevarnos”, dijo Wong.
Primero se crearon transistores con los nanotubos de carbono, los cuales son interruptores de apagado-encendido considerados el corazón de los sistemas digitales electrónicos, desde hace 15 años. Sin embargo, una cadena de imperfecciones en los nanotubos de carbono ha frustrado largamente los esfuerzos por construir circuitos completos utilizando CNTs:
- Los CNTs no se forman necesariamente en lineas paralelas perfectas, como desearían los fabricantes de chips. Con el paso del tiempo, los investigadores han ideado algunos trucos para hacer crecer el 95.5 pro ciento de CNTs en línea recta. Sin embargo, con miles de millones de nanotubos en un chip, aún el más pequeño grado de nanotubos mal alineados podría causar errores, por lo que el problema permaneció allí.
- Dependiendo de la manera en que crezcan los CNTs, una fracción de estos nanotubos pueden terminar comportándose como cables metálicos que siempre conducen electricidad, en lugar de actuar como semiconductores que pueden apagarse.
Debido a que la producción masiva es el objetivo eventual, los investigadores debían encontrar la manera de lidiar con esta mala alineación y con los CNTs metálicos sin tener que buscarlos como una aguja en un pajar.
“Necesitábamos una forma de diseñar circuitos sin tener que buscar las imperfecciones o incluso siquiera saber donde estaban”, dijo Mitra.
Cómo se hizo la primera computadora de nanotubos de carbono
El artículo de Stanford en Nature describe un método de dos frentes que los autores llaman un “diseño inmune a la imperfección”.
1. Para eliminar los nanotubos metálicos, el equipo de Stanford apagó todos los CNTs en perfecto estado. Luego aplicaron al circuito semiconductor electricidad. Toda esa electricidad se concentró en los nanotubos metálicos que se hicieron tan calientes que se quemaron y literalmente se convirtieron en pequeñas nubes de dióxido de carbono. Esta técnica sofisticada eliminó los CNTs metálicos del circuito.
2. Sobrepasar los nanotubos mal alineados requirió una mayor sutileza. Los investigadores de Stanford crearon un algoritmo poderoso que elabora un esquema de circuito que garantiza que funcionará sin importar donde se encuentren los CNTs retorcidos. “Esta técnica de ‘diseño inmune a la imperfección’ es un descubrimiento verdaderamente ejemplar”, dijo Sankar Basu, director de programa de la Fundación Nacional de Ciencia.
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