關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方法是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造當今世界發現和想法的有影響力的故事的未來。
當數字時代最終觸及矽基計算機晶片的物理極限時，現代生活方式可能不需要抑制對更小、更快的智慧手機和平板電腦的需求。斯坦福大學工程師的新研究可能剛剛透過展示如何用碳奈米管構建計算機而為矽找到了繼任者。
這款178個電晶體的計算機僅能處理一位資訊和一條指令，與基於數百萬到數十億個電晶體的32位或64位處理器的現代計算機相比，似乎微不足道。但斯坦福大學計算機對碳奈米管的使用——由碳原子片製成的空心圓柱結構——可能為未來許多執行速度更快、能耗更低的計算裝置鋪平道路。“這是一臺簡單的計算機，但它不是一次性的計算機，”斯坦福大學的電氣工程師兼新論文的合著者蘇巴西什·米特拉說，該論文詳細刊登在9月25日出版的《自然》雜誌上。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
更小、更快的電子裝置長期以來依賴於工程師縮小矽電晶體尺寸的能力——矽電晶體是現代電子產品的基礎，即微小的開/關開關——以便製造商可以將更多的電晶體封裝到每個晶片上。英特爾公司的聯合創始人戈登·摩爾在1965年預測，電晶體的密度大約每兩年翻一番，從而實現電子技術的快速進步。
但矽電晶體越小，它們最終浪費的能量就越多，以熱量的形式散發出去，導致最近出現了關於“摩爾定律”終結的預測。碳奈米管電晶體可以透過使電子產品在更小的尺寸下變得更快、更節能來維持這種進步，因為奈米管在開啟或關閉時消耗的能量非常少。“我們預計碳奈米管電晶體可將功耗降低高達三倍，效能提高三倍——效能和功耗可以相互權衡，”IBM托馬斯·J·沃森研究中心物理科學主管蘇普拉蒂克·古哈解釋道。
IBM和荷蘭代爾夫特大學在1997年各自制造了第一個碳奈米管電晶體。IBM尤其希望為電晶體的最小特徵尺寸從大約28奈米縮小到接近5奈米的那一天做好準備。（一奈米是十億分之一米。）如此微小的電晶體可以為新型移動裝置提供更好的效能和更長的電池壽命。“斯坦福大學的研究成果是一項傑出的研究，它表明可以使用碳奈米管電路製造通用計算機，”古哈說。“我們相信這是可以做到的——這是一個基本但清晰的演示。”
斯坦福大學的碳奈米管計算機的電晶體只有8微米（8000奈米）大小，這是因為學術實驗室碳奈米管生長過程的限制。但由米特拉和黃漢松領導的斯坦福大學團隊讓古哈和其他研究人員感到興奮，因為它開發了一種設計，該設計繞過了困擾研究人員試圖生長碳奈米管的問題：以完美的平行線生長和排列它們。即使是最小比例的未對準奈米管也可能導致電子電路中的錯誤。米特拉解釋說，雖然“我們的碳奈米管生長保證了99.5%的對齊率”，但“0.5%仍然是一個很大的數字，可能會擾亂計算機晶片中需要數百萬或數十億個奈米管的數字邏輯功能”。
第二個問題來自於少量碳奈米管，它們的行為就像始終導電的金屬線，而不是可以開啟和關閉的半導體。
斯坦福大學的工程師透過一種特殊的演算法解決了對齊問題，該演算法以一種確保即使奈米管未對準也能正常工作的方式在碳奈米管中蝕刻電路圖案。該團隊還透過關閉適當的半導體奈米管並透過金屬奈米管導電以透過強烈的熱量積聚來汽化後者，從而解決了金屬導電問題。
斯坦福大學博士候選人兼《自然》論文的第一作者馬克斯·舒拉克說，碳奈米管計算可能在未來10到15年內不會出現在實驗室之外。但他指出，製造碳奈米管計算機的過程與當今矽基半導體行業的製造過程相容——這一因素可能使其更容易實現工業規模的製造。“這項研究肯定回答了碳奈米管計算是否可以擴充套件到製造的重要問題，”舒拉克說。“它表明它確實是可擴充套件的。”