Новая схема, собранная из нанопроводков, может быть настроена на выполнение различных арифметических и логических функций. Это важный шаг на пути построения компактных и экономичных схем, воплощающих помимо прочего и новый подход в технологии производства электроники.

Рис. 1. Раскрашенная фотография
со сканирующего электронного микроскопа.
Нанопроцессор (тёмный участок)
и проводники, при помощи которых
устройство соединялось с обычной
электроникой (фото Lieber Group,
Harvard University).

Необычную схему построили Чарльз Либер (Charles Lieber) и его коллеги из Гарварда, а также специалисты из группы наносистем американской корпорации MITRE. Устройство основано на массиве германиевых проводков диаметром 10 нанометров, покрытых кремниевой оболочкой. Их разместили на подложке из диоксида кремния. Поверх проводков нанесли тонкий слой из оксидов металлов, а затем накрыли сеткой из металлических проводков.

В точках пересечения двух наборов проводников образовались энергонезависимые полевые транзисторы. Группы таких элементов авторы схемы связали между собой так, что выходы одних транзисторов служили управляющими входами для других.

Приложением высокого напряжения к определённым контактам на схеме эту сетку можно программировать. А далее, уже при низком напряжении, вся связка транзисторов может работать в соответствии с заданной логикой.

Рис. 2. На этом снимке на заднем плане
подложен рисунок, демонстрирующий фрагмент
архитектуры нанопроцессора (фото Lieber
Group, Harvard University).

«Созданная схема содержит 496 программируемых транзистров на площади 960 квадратных микрометров», — сообщает Nature.

Авторы устройства показали, что оно способно суммировать и вычитать сигналы, а также выполнять ряд других операций.

В этой работе важными оказались сразу несколько моментов. Нанопроволочные транзисторы поддерживают своё состояние без подвода питания и исключают токи утечки, что вместе с малыми размерами, теоретически, означает в 10–100 раз более энергоэффективные схемы, чем нынешние.

Ранее исследователи уже создавали единичные логические вентили из полупроводниковых нанопроводов и даже небольшие схемы из углеродных нанотрубок.

Рис. 3. Общая архитектура процессора на основе нанопроводков. Авторы придумали каскад из связанных цепочкой повторяющихся «плиток» (одна обведена пунктиром). Розовым цветом показаны удерживающие заряд нанопроводки, серым – металлические проводки, синим – контакты для ввода-вывода сигналов (иллюстрация Hao Yan, Charles M. Lieber et al./Nature).

Но большой проблемой оказалось масштабирование. «Трудности возникали в многократном воспроизведении структуры из нанопроволочек. Каждая такая структура должна быть идентична соседней, чтобы схема работала, как задумано. Группа Либера разработала способ массового получения идентичных нанопроводов», — объясняет суть прорыва Technology Review.

В новой схеме нанотранзисторы были сгруппированы в два блока, и авторы устройства показали, что могут управлять работой одного при помощи второго. А это — ещё один момент, открывающий дорогу к построению более сложных чипов по данной технологии.

Рис. 4. Оптические и электронные фотографии участка схемы с двумя наборами нанотранзисторов («синий» и «красный» прямоугольники на фото a), масштабная линейка – 40 микрометров. b – увеличенный участок, обведённый синим на a, линейка 40 мкм. Белый пунктир – непосредственно блок с нанотранзисторами. c – увеличенный «красный» регион с фото a, линейка – 40 мкм. d – увеличенный участок, обведённый зелёным на фото b, линейка – 1 микрометр. e – увеличенный участок, обведённый жёлтым на c, линейка – 1 мкм. f – область, обведённая синим на e, линейка – 1 мкм. Виден базовый полупроводниковый нанопровод и пересекающие его десять проводников из металла (фотографии Hao Yan, Charles M. Lieber et al./Nature).

Ещё новая схема показала перспективу необычного метода изготовления электроники «снизу вверх» (то есть с последовательным наложением частей схемы на подложку). Он отличается от принятого в полупроводниковой промышленности способа «сверху вниз», когда на полупроводниковую заготовку через трафарет словно фотография проецируется схема, а затем в определённых местах удаляются лишние слои.

Нанопроводковая схема может быть выстроена на любой подложке и потенциально способна оказаться более тонкой и компактной.

Пока, впрочем, опытный образец от Либера и его коллег не готов поспорить по миниатюрности и скорости с самыми высокоплотными классическими микросхемами. Перед нами лишь эксперимент. В дальнейшем авторы устройства попробуют сократить размеры элементов схемы и нарастить число транзисторов до нескольких тысяч.

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Hao Yan, Hwan Sung Choe, SungWoo Nam, Yongjie Hu, Shamik Das, James F. Klemic, James C. Ellenbogen & Charles M. Lieber Programmable nanowire circuits for nanoprocessors. – Nature. – 2011. – 470. – P.- 240–244; doi:10.1038/nature09749; Published online 09 February 2011.