IBM costruisce un oscillatore ad anello da 2,8GHz basato su nanotubi di carbonio

IBM costruisce un oscillatore ad anello da 2,8GHz basato su nanotubi di carbonio

Si tratta di una circuiteria dimostrativa, che però testimonia i passi avanti compiuti per avvicinare alla realtà la realizzazione di elementi di elettronica computazionale basati sui nanotubi di carbonio

di Andrea Bai pubblicata il , alle 16:01 nel canale Scienza e tecnologia
IBM
 

In un articolo pubblicato su Nature Nanotechnology i ricercatori di IBM hanno descritto un metodo che ha permesso di realizzare un oscillatore ad anello basato su nanotubi di carbonio e capace di operare ad una frequenza di 2,8GHz. Pur se la struttura realizzata è solamente a scopo dimostrativo e non ha alcuna ricaduta nella pratica, si tratta di un passo avanti molto importante che testimonia quanto la realizzazione di elettronica computazionale basata sui nanotubi di carbonio sia sempre più vicina alla realtà.

L'attenzione verso i nanotubi di carbonio come possibili strutture adatte per la realizzazione di processori è dovuta al fatto che essi possono essere semiconduttori e possono consentire il superamento dei limiti fisici attualmente imposti dal silicio. L'impiego dei nanotubi per la realizzazione di un processore è in verità un'impresa molto più complessa e difficile di quanto inizialmente possa apparire.

Esistono infatti una serie di problemi da aggirare perché sia possibile realizzare processori funzionali basati su nanotubi. Uno di questi è la difficoltà di poter controllare le proprietà metalliche o di semiconduttore nella fase di produzione: di norma si ottiene una miscela di nanotubi con una percentuale variabile di semiconduttori e metalli. Questo aspetto è gestito, fino ad ora, con un approccio non particolarmente efficiente e che prevede la produzione di molti più nanotubi di quelli effettivamente necessari così da eliminare quelli metallici e conservare quelli semiconduttori. Questo processo non elimina i rischi associati ad avere nanotubi non puri: talvolta può infatti accadere di avere un elemento metallo dove si vuole invece un semiconduttore, col risultato di compromettere la funzionalità della struttura desiderata.

Per riuscire a superare questi ostacoli, i ricercatori IBM hanno basato il loro lavoro su uno studio condotto dal National Renewable Energy Lab il quale ha mostrato che la realizzazione di nanotubi di carbonio semiconduttori può essere condotta con efficienza usando solventi organici che contengono anelli azotati nella loro struttura. I ricercatori hanno voluto provare questa tecnica riuscendo a riscontrare il 99,9% di nanotubi di carbonio purificati su un campione di 10 mila realizzati.

Il secondo problema è quello di collocare con precisione i nanotubi di carbonio su un chip in posizioni specifiche. Per fare ciò i ricercatori hanno impiegato dei particolari polimeri che si formano su porzioni specifiche del chip a seconda del materiale utilizzato. Questi polimeri fungono da guida per i nanotubi di carbonio che possono quindi migrare dalla soluzione usata verso le posizioni specifiche sul chip.

Queste due tecniche rappresentano quindi le fondamenta di un processo per la produzione di processori basati su nanotubi di carbonio, anche se tuttavia non sono sufficienti da sole per poter realizzare un processore funzionale. Un processore infatti racchiude al suo interno un insieme di semiconduttori di tipo p e di tipo n, laddove i nanotubi di carbonio sono per natura semiconduttori di tipo p. E' tuttavia possibile, collocando i nanotubi in prossimià di particolari metalli, convertirli in semiconduttori di tipo n.

Ma anche in questo caso una soluzione apparentemente semplice si è dimostrata essere molto più complicata: i metalli desiderati, infatti, hanno la spiacevole caratteristica di ossidarsi facilmente in condizioni normali. I ricercatori di IBM hanno pensato quindi di ricoprire lo strato metallico per proteggerlo dall'ossidazione. Il metallo usato, lo scandio, è così tanto incline all'ossidazione da "strappar via" l'ossigeno da uno strato di ossido di afnio usato per un altro elemento del processore, che è stato quindi sostituito.

Aggirati questi ostacoli, i ricercatori hanno cercato di costruire singoli transistor completi: in tutto sono stati realizzati 192 transistor, che sono risultati tutti pienamente operativi. Il passo successivo è stata la realizzazione di una circuiteria dimostrativa, per verificare se i transistor possano essere effettivamente usati nel concreto. Di norma la struttura dimostrativa più comune che si realizza in questi casi è l'oscillatore ad anello, ovvero una serie di gate configurati per invertire il valore di un bit. Con un numero dispari di gate in una configurazione ad anello, ciascun gate oscilla tra 0 e 1 con una frequenza che dipende dal ritardo nel cambiamento di stato di ciascun gate individuale.

I ricercatori sono riusciti ad ottenere 55 oscillatori funzionanti, capaci di spingersi fino ad una frequenza di 2,8GHz. Tuttavia per poter ottenere questo risultato è stato necessario realizzare 160 oscillatori dimostrazione di come il processo ancora non sia maturo: gli oscillatori realizzati sono estremamente semplici e costituiti da appena cinque gate, il che suggerisce come la strada per la produzione commerciale sia ancora molto lunga.

IBM si è posta il 2022 come traguardo per la realizzazione di un processore basato su nanotubi di carbonio. I progetti di ricerca e sperimentazione collegati a questo obiettivo sono stati avviati cinque anni fa, e adesso siamo arrivati a metà strada. Sarà possibile rispettare la tabella di marcia indicata? Ovviamente è difficile a dirsi, ma i passi avanti in questi anni sono stati notevoli specie se si considera che nel 2012 la società ancora non aveva individuato con precisione un metodo che consentisse la produzione di nanotubi semiconduttori in purezza.

2 Commenti
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Bellaz8911 Luglio 2017, 17:34 #1
Ottimo. Con le dovute difficolta' mi sembra che che la questione nanotubi stia andando avanti. Speriamo che presto si arrivi ad applicazioni pratiche (Anche per far cessare la facile ironia da forum...).
OttoVon12 Luglio 2017, 02:52 #2
Originariamente inviato da: Bellaz89
Ottimo. Con le dovute difficolta' mi sembra che che la questione nanotubi stia andando avanti. Speriamo che presto si arrivi ad applicazioni pratiche (Anche per far cessare la facile ironia da forum...).


Sti maledetti che da otto anni fanno facile ironia...
Brava IBM, falli tacere.

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