Stanford bouwt eerste processor met koolstofnanobuisjes

Onderzoekers van de Amerikaanse Stanford-universiteit hebben naar eigen zeggen 's werelds eerste computer gebouwd die gemaakt is met transistors van koolstofnanobuisjes: die zouden siliciumtransistors op moeten volgen.

De medewerkers van Stanford slaagden erin eenvoudige computers van chips met nanobuisjes te maken, die kunnen optellen en nummers kunnen rangschikken. Het proof-of-concept-systeem kan met de MIPS-instructieset overweg: twintig instructies werden geïmplementeerd waarbij het systeem ook kon multitasken. In totaal waren 178 transistors nodig voor het eenvoudige systeem, maar de productiemethode van de Stanford-onderzoekers zou zeer goed schaalbaar zijn naar massaproductie van complexere chips.

Eerder werden weliswaar al transistors van nanobuisjes gemaakt, maar bij Stanford slaagden ze er voor het eerst in die voldoende robuust te maken voor zinvolle toepassingen. De productie van koolstofnanobuisjes is namelijk allerminst eenvoudig en perfect: imperfecties tijdens de 'groei' van de koolstofnanobuisjes bemoeilijken massaproductie. Die imperfecties bestaan vooral uit nanobuisjes die niet netjes zijn gerangschikt of nanobuisjes die permanent geleidend in plaats van halfgeleidend zijn. De onderzoekers van Stanford hebben echter een methode ontwikkeld om die fouten te herstellen en betrouwbare circuits van koolstofnanobuisjes, of cnt's, te maken.

Om de dwarsliggende cnt's te omzeilen, ontwikkelden de onderzoekers een algoritme voor circuit-ontwerp dat voor eventueel verkeerd georiënteerde cnt's kan compenseren. Tevens worden de cnt's op een kwarts-wafer gekweekt die de cnt's voor 99,5 procent recht dwingt te groeien. Om de metallische, altijd geleidende cnt's te omzeilen schakelden de onderzoekers simpelweg alle halfgeleidende cnt's uit en joegen voldoende stroom door de circuits om de metallische cnt's te verdampen.

Het team ontwikkelde processors met 142 tot 178 transistors die met de wat verouderde productiemethodes van het universiteitslab gemaakt werden. De cnfet's hebben nanobuisjes van 10 tot 200 nanometer lang, maar dat zou met moderne productiemethodes kleiner kunnen. Dan zouden cnt-processors ook zuiniger kunnen zijn dan siliciumprocessors en bovendien een stuk sneller kunnen opereren. Volgens de onderzoekers zouden dergelijke processors ten minste een orde van grootte zuiniger zijn dan silicium-equivalenten.

Reacties (42)

[Verwijderd]

Hoe reageren nanotubes met menselijke cellen? Moeten dit soort producten apart ingezameld worden?

[Techless]

Hoe reageren nanotubes met menselijke cellen?

Ja, carbon nanotubes reageren met menselijke cellen. Dat is o.a. aangeroond door Hu et al (2010). Die hebben onderzoek uitgevoerd met menselijke cellen in een reageerbuis.
Witte bloedcellen zijn zeer gevoelig en activiteit neemt al af vanaf 2 ppm (parts per million).
Longcellen worden pas sterk beinvloed vanaf 10 ppm.
En huidcellen worden matig negatief beinvloed vanaf zo'n 10 ppm.

Afhankelijk van de grootte. Je kan nanotubes zo lang maken als je zelf wilt. Let enkel wel op dat ze scherp zijn, en dus schade aan weefsel kunnen aanbrengen, zoals bijvoorbeeld asbestvezels.

Zo lang maken als je zelf wil... hmm volgens mij is de gebruikelijke techniek echter dat kronkelige korte koolstofnanobuisjes in elkaar haken en zo een lange string vormen. Helemaal onbeperkt is het niet.
Han et al (2012) tonen inderdaad aan dat kleinere buisjes schadelijker zijn dan grotere buisjes in cellen van ratten. De reden voor het verschil is echter nog niet helder.

Cefic, een niet geheel onpartijdige vereniging voor chemische bedrijven, meent dat CNT's veilig kunnen worden gebruikt en dat er dan geen gevaar is voor de mens. Op zich is dat ook best geloofwaardig, want bij normaal gebruik krijg je geen CNT's in je bloedbaan, laat staan 2 ppm en dat hebben ze dan ook getest.

En heeft de industrie al normen bedacht en gedragsregels rond de productie, verwerking en recycling van nanotubes bevattende producten?

In Europa moeten alle bedrijven zich conformeren aan de REACH wetgeving voor chemische stoffen. De wetgeving legt een groot stuk verantwoordelijkheid voor het testen van stoffen bij de bedrijven die de stof willen gaan gebruiken.
Indien niet kan worden aangetoond dat een (gevaarlijke) stof veilig kan worden gebruikt bevat de wetgeving regels die een stof kunnen verbieden.

De industrie wordt dus niet geheel vrij gelaten om maar eigen normen en gedragsregels te hanteren.

Er zijn wel wetswijzigingen doorgevoerd om ervoor te zorgen dat de REACH wetgeving beter geschikt is voor nanostoffen. Omdat de koolstofnanobuis een allotroop is van koolstof net als diamand en grafeen zou je kunnen zeggen die laatste twee zijn al getest dus dan hoeft het niet nog een keer. Dat is expliciet wel nodig bij deze nanoschaal die zorgt voor andere fysische en chemische eigenschappen.
Normaal gesproken is registratie nodig vanaf een bepaalde hoeveelheid die gebruikt of gemaakt wordt door een bedrijf, bijvoorbeeld 1 ton. Bij een groter verbruik zijn de veiligheidseisen en het onderzoek ook meeromvattend. Bij nanostoffen zijn de eisen bij lagere hoeveelheden al hoger in verhouding tot macrostoffen.

Moeten dit soort producten apart ingezameld worden?

Kohler et al hebben in 2008 onderzoek gedaan naar potentieel in het milieu komen van CNT's in producten waar ze eigenlijk vast zitten. En die menen dat gedurende de hele levencyclus het vrijwel onvermijdelijk is dat er door schade, stlijtage, storten, slecht verbranden, etc wel wat vrij komt. Het zou echter zeker helpen als stoffen in ieder geval zoveel mogelijk ingezameld zouden worden, zodat ze op de juiste manier kunnen worden afgevoerd, zodat ze geen schade aan kunnen richten.

Daar zijn echter nu nog geen faciliteiten voor. Ook vormen de vele verschillende voorkomens een obstakel. In een batterij als elektrode, in een plastic als versteviging, in een processor om on topic te blijven.

Is dit de volgende asbest?

Daar is al best wat onderzoek naar gedaan. Het schijnt dat lange stugge koolstofnanobuisjes vergelijkbaar gedrag vertonen. De industrie lijkt het er over eens te zijn dat ze die niet gebruiken met een voorkeur voor korte kronkelige buisjes die dat effect niet vertonen! (zie ook Cefic 2013)

Ik vraag mij vooral af wat het effect van die buisjes is als ze wel in het milieu accumuleren. We hebben nu al plastic soup in de oceanen. Hebben we straks ook koolstofnanobuissoup in de oceanen. Ze worden niet zomaar afgebroken dus de kans dat een lange tijd in het milieu blijven is als ze er eenmaal in zitten is groot. Wat is het effect op andere organismen en hele ecosystemen? die vragen zijn volgens mij nog niet beantwoord.

Lichtpuntje?
Ik zat te denken dat als er maar genoeg CNT's worden gebruikt voor vanalles en nog wat dat er misschien ook een ander milieuprobleem mee opgelost kan worden, namelijk dat van het broeikaseffect. Al die CNT's samen zouden een aanzienlijke koolstof sink vormen, die dan niet in de atmosfeer en oceaan zitten ;-)
Maar dan is die 10-100 ton die nu jaarlijks geproduceerd wordt nog niet genoeg...

Gebruikte bronnen, een aantal uit zeer gerespecteerde peer reviewed journals:
Cefic. (2012). Cefic nano QA's for public Retrieved September 8th, 2013, from http://www.cefic.org/Docu...0October%202012_FINAL.pdf
Cefic. (2013). Nano fact sheet multi walled carbon nanotubes (MWCNT) Retrieved September 8th, 2013, from http://www.cefic.org/Docu...arbon-Nanotubes-MWCNT.pdf
Han, Y.-g., Xu, J., Li, Z.-g., Ren, G.-g., & Yang, Z. (2012). In vitro toxicity of multi-walled carbon nanotubes in C6 rat glioma cells. NeuroToxicology, 33(5), 1128-1134. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuro.2012.06.004
Hu, X., Cook, S., Wang, P., Hwang, H.-m., Liu, X., & Williams, Q. L. (2010). In vitro evaluation of cytotoxicity of engineered carbon nanotubes in selected human cell lines. Science of The Total Environment, 408(, 1812-1817. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2010.01.035
Köhler, A. R., Som, C., Helland, A., & Gottschalk, F. (2008). Studying the potential release of carbon nanotubes throughout the application life cycle. Journal of Cleaner Production, 16(8–9), 927-937. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2007.04.007
Sciencedaily.com. (2009) Carbon Nanotubes: Innovative Technology Or Risk To Health Or Environment Retrieved 25 sept., 2013, from http://www.sciencedaily.c.../2009/05/090504121921.htm
Shvedova, A. A., Kisin, E. R., Porter, D., Schulte, P., Kagan, V. E., Fadeel, B., & Castranova, V. (2009). Mechanisms of pulmonary toxicity and medical applications of carbon nanotubes: Two faces of Janus? Pharmacology & Therapeutics, 121(2), 192-204. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.pharmthera.2008.10.009

[eejjay]

Afhankelijk van de grootte. Je kan nanotubes zo lang maken als je zelf wilt. Let enkel wel op dat ze scherp zijn, en dus schade aan weefsel kunnen aanbrengen, zoals bijvoorbeeld asbestvezels.

[Verwijderd]

En heeft de industrie al normen bedacht en gedragsregels rond de productie, verwerking en recycling van nanotubes bevattende producten?

Of wordt dat allemaal weer achteraf geëist nadat de schade al is geleden. Moet je nu eens zien hoe mensen in witte pakjes met zuurstof gebouwen in gaan om asbest te verwijderen

Ik herinner me nog hoe ik uit huis vluchtte toen mijn vader en broer het zeil uit de keuken vervingen en de asbest in de rond vloog. Ze deden bouwmarkt mondkapjes op, alsof dat helpt tegen asbest vezel die zo groot zijn als een menselijke cel. Ze veegden het asbest met motblik en veger op en zogen met de stofzuiger de restjes op. En de stofzuiger blies vervolgens die superkleine asbest deeltjes door het hele huis.

En uiteindelijk moest ik daar toch weer naar binnen. Ik herinner me ook de kanker van pa en ik heb me vaak afgevraagd of er verband was.

Ik vraag me ook af hoeveel ik in de cellen van mijn longen heb steken.

Ik heb geen behoefte aan een nieuwe vorm van asbest, want als ik de berichten hier zo lees, dan wil men nanotubes overal in toepassen.

[Verwijderd]

Dit is een mooi artikel daarover:
http://phenomena.national...uld-behave-like-asbestos/

[eejjay]

Ja dat is een heel goed punt wat je aandraagt. Die zijn er namelijk nog niet.
De verantwoordelijkheid omtrent cnt's ligt vooralsnog dus bij de chemici en de bedrijven die ze willen/gaan implementeren.

Voorlichting en regelgeving zijn belangrijk, maar het zou zonde zijn als deze volledig de mogelijkheden van nanotubes belemmeren. Nanotubes hebben namelijk nog veel meer potentie dan asbest.

[eejjay]

Dat doet me denken aan een verhaal tijdens een nanotechnology convention (MESA+) vorig jaar in Enschede, daar hadden ze een methode ontwikkeld om uit water transistoren te maken. In combinatie met deze ontwikkeling is het dus mogelijk om volledige IC's te maken en te implementeren in ons lichaam.

Ontwikkelingen in Nanotechnologie hebben veel potentie, over 20 jaar zie ik het zo gebeuren dat alles met nanotubes wordt gemaakt in plaats van met "normale" halfgeleiders.

[Reactie gewijzigd door eejjay op 25 juli 2024 01:13]

[wilcozzz]

Zijn de huidige transistors in processoren niet al kleiner dan een en koolstofnanobuisje? In dat geval kan ik me niet voorstellen hoe de koolstofnanobuisjes ooit een vervanger kunnen zijn.

[gjmi]

Het is een proof of concept. Dus aantonen dar het kan.
De cnt's zullen nog kleiner worden dan transistoren als ze de productie beter onder controle kunnen krijgen.
Ze zijn sowieso sneller en zuiniger. Transistoren zitten bijna aan hun grens wat betref miniaturisatie, die waren in het begin ook vele maken groter. Cnt's kunnen theoretisch veel kleiner zijn om hetzelfde te doen. Kwestie van tijd om dat in praktijk mogelijk te maken.

[Droozle]

Alleen al het feit dat CNT's veel minder warmte ontwikkelen is een enorme stap voorwaarts. Kloksnelheden kunnen dan flink omhoog, zonder dat extreme koeling nodig is.

[DLeijen]

Dat kan nog wel eens tegen vallen, de kloksnelheid zal wel omhoog kunnen, maar de propagation delay (de tijd die nodig is om een transistor te laten schakelen) zal bij gelijke grootte van transistor ongeveer hetzelfde zijn. Als je dan de kloksnelheid te ver omhoog gooit, zal je gaan krijgen dat instructies niet correct of niet afgehandeld worden door de processor.

Goede uitleg is hier te vinden:
http://www.realworldtech.com/overclocking-realities/3/

[Gmount]

er staat dat ze met de verouderde productiemethoden van de universiteit al buisjes kunnen maken van 10 tot 200 nm, terwijl de huidige intel chips op 22 nm gebakken worden.

Voor volgend jaar heeft Intel 13 nm op het programma staan. Het artikel geeft aan dat de nanobuisjes met moderne methoden kleiner gemaakt kunnen worden dan 10 nm, dus die hebben voorlopig nog wel een voorsprong qua grootte.

Ik vraag me wel af wat ik me voor moet stellen bij het verdampen van die buisjes, er zijn dus een aantal koolstofatomen in de vorm van een buis, je zet er stroom op en ze zijn weg? Of is het alleen dat je dan de werking uitschakelt?

[BadRespawn]

Zijn de huidige transistors in processoren niet al kleiner dan een en koolstofnanobuisje? In dat geval kan ik me niet voorstellen hoe de koolstofnanobuisjes ooit een vervanger kunnen zijn.

Huidige transistors in processoren zijn tientallen nanometers groot.

"Most single-walled nanotubes (SWNT) have a diameter of close to 1 nanometer" http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube

Nee dus.

[Verwijderd]

Ik zie; gezien het aantal transistors (178); dat er nog best een hoop ontwikkeling nodig is om tot die bijna miljard van de nieuwe Haswell i7 te komen. Maar zonder meer een stap in de goede richting.

[Verwijderd]

Ik vind het een sterk verhaal dat ze met 178 transistors 20 machinetaalinstructies kunnen implementeren...

[MacD]

Dan zou je eens een klasje digitale systemen moeten volgen.

[WeViE]

Zo raar vind ik zijn opmerking niet hoor. Een 32 bit MIPS processor krijg je inderdaad niet geimplementeerd met 178 transistors.. Volgens http://spectrum.ieee.org/...ctrum+%28IEEE+Spectrum%29 gaat het echter om een 1-bit processor, wat het hele verhaal een stuk aannemelijker maakt.

[Verwijderd]

Dan is de woordbreedte voor de instructies groter dan die voor het datapath.
Interessante processor

[PuzzleSolver]

How does the computer work? It uses just one instruction to perform all computations: SUBNEG (subtract and branch if negative). As Franz Kreupl, a professor of electrical engineering at the University of Munich in Germany, writes in an accompanying commentary:

De MIPS instructies worden dus geëmuleerd via deze ene instructie. Als je maar genoeg geheugen hebt dan kun je alles maken met deze ene instructie. Er zit waarschijlijk ook nog een heleboel normale transistos omheen om het totaal te laten werken. Daar gaat het dan ook niet echt om, het gaat erom dat ze voor het eerst een productie methode hebben ontwikkeld voor wereknde nano-tubes op een grotere schaal.

Door kortsluiting te veroorzaken in de onbruikbare geleidende nanotubes branden ze die eraf. De overige bevatten soms nog kortsluiting maar die ontwijken ze door een circuit te ontwerpen wat werkt ondanks deze shorts.

[ikt]

Het is een proof of concept, als er genoeg geld wordt gestort kan het weleens zeer snel gaan. Er wordt ook gezegd dat het erg schaalbaar is.

[Verwijderd]

Helemaal eens! Ik zou verwachten dat de processor fabrikanten ook een donatie doen om er voor te zorgen dat ze hun processors een stuk goedkoper kunnen gaan produceren. ben benieuwd hoe snel dit gaat; we houden het in de gaten.

[Fairy]

Dat gebeurd al. Een techniek gebruiken kost ze licentiekosten of overname van patenten die de universiteiten in de zak hebben.

[_Thanatos_]

Plus dat het gaat over processors, want niet per se CPU's hoeven te zijn...

Kunnen dus ook GPU's zijn (maar daar zitten dezelfde uitdagingen in voor CNT's als bij CPU's) maar ook dingen als microcontrollers.

[Reactie gewijzigd door _Thanatos_ op 25 juli 2024 01:13]

[Blitzkrieg_Bob]

Ik neem aan dat iedere lezer hier wel doorheeft dat dit om een zodanig versimpeld chipontwerp gaat dat dat niet meer echt overeenkomt met onze noties van CPU of GPU, maar de architectuurbeginselen komen aardig overeen. Ik neem aan dat dit 'chipje' gemaakt is om een paar simpele berekeningen uit te kunnen voeren, en er sowieso nog wat extra chips voor de aansturing ervan worden gebruikt.
Ik ben zelf erg benieuwd wat voor tests ze zoal uitgevoerd hebben, en of dit model ook zo'n lage warmteontwikkeling en energieconsumptie heeft als nanotubes mogelijk zouden moeten maken.

[page404]

denk maar aan het "Chicago-pile" moment. Bouw een proof of concept, laat zien dat het werkt en wees verbaasd hoe snel iets tot productieniveau opgeschaald kan worden. Zie ook http://io9.com/5963263/ho...its-very-first-warp-drive.

What White is waiting for is existence of proof — what he's calling a "Chicago Pile" moment — a reference to a great practical example.

"In late 1942, humanity activated the first nuclear reactor in Chicago generating a whopping half Watt — not enough to power a light bulb," he said. "However, just under one year later, we activated a ~4MW reactor which is enough to power a small town. Existence proof is important."

[bbob]

Heel snel tot productieniveau is vaak wat anders. Denk dat je toch echt over jaren of misschien wel 5 tot 10 jaar praat voordat men echt zo kan produceren.

Tot die tijd kan men in de oude technieken steeds kleiner produceren en dan op deze techniek overgaan.

[-Tom]

En daarbij: "Het team ontwikkelde processors met 142 tot 178 transistors die met de wat verouderde productiemethodes van het universiteitslab gemaakt werden."

[jrpower5]

Er is nog een hoop ontwikkeling nodig, maar een Haswell i7 maakt gebruik van silicium. De eigenschappen van koolstof nanobuisjes zijn zodanig (die nanobuisjes van koolstof zijn vele malen sneller dan conventionele transistoren), dat deze silicium transistoren over een jaar of 15/20 uit de markt kunnen verstoten.

[Origin64]

Ha. Ik kan me nog herinneren dat ik jaren geleden (en daarna om de paar jaar) een artikel tegenkwam waarin een paar wetenschappers een stuk koolstof met 10GHz lieten schakelen of bericht werd dat een of andere eigenschap van de stof wel eens in analoge transistors gebruikt zou kunnen worden. Toch mooi om te zien dat dat onderzoek door blijft gaan.

[Sissors]

Dat was een grafeen transistor, dat is iets heel anders dan een nanotube transistor! Grootste probleem van grafeen transistoren is dat je ze niet uit kan schakelen, wat een enorme warmteontwikkeling betekend.

Wel leuk om te zien dat nu nanotubes toch weer verder gaan. Een jaar of 10 geleden waren nanotubes helemaal de hype, maar daarna is dat toch wat stilgevallen. Maar het onderzoek ernaar blijkbaar niet.

[hassanjassan]

Waht maar tot de state of the art appratuur gebruiken en ditto materialen. Het is nu in een fase van expirimenteren en bewijzen verzamelen. Intel et al zullen er snel genoeg op springen mocht Stanford de potentie bewezen te hebben en dan is miljard transistors peanuts.

Dan wordt het tijd voor een nieuwe moore's law.

[freekr]

Wat voor invloed zou het weg dampen van de geleidende nano tubes kunnen hebben op toekomstige yields bij massa productie?
Kunnen ze iets vergelijkbaars ook bij silicium substraten?

Ik dacht namelijk dat bij imperfecties bij proccesoren ze in de prullenbak belanden of van 4 -> 3 cores zoals bij amd.

[Sissors]

Het probleem is dat je hem wel zichzelf kan laten wegbranden, maar als het een transistort is die gewoon essentieel is voor het functioneren van je processor dan doet de handel het niet meer.

[Cow86]

Gezien de huidige chip productie faciliteiten totaal niet overweg kunnen met cnt's gaat het nog lange tijd en veel onderzoek kosten voordat dit silicium chips voorbij gaat steken....Echter is het natuurlijk een goeie eerste stap, maar voorlopig zijn er meerdere 'opvolgers' van silicium in de running...dus we zullen zien wat uiteindelijk de meest haalbare blijkt. Zolang er nog niet duidelijk 1 als superieur aan de andere alternatieven (in prestaties of kosten) is gebleken gaat er natuurlijk geen enkele fabrikant daar al veel in investeren...niet met de honderden miljoenen of zelfs miljarden waar je het in die industrie dan uiteindelijk over hebt.

[icreative]

Kan iemand mij vertellen waarom we dit specifiek boven de siliconen chips zouden verkiezen?

Volgens mij is Koolstof net zo chemisch als Siliconen of zit ik verkeerd? Voordelen/nadelen ?

[_Thanatos_]

Koolstof is chemisch, maar dat is jouw lichaam dan ook. Het is na zuurstof het meest vorkomende element in jouw en mijn lichaam. In deze hele planeet is silicon (niet te verwarren met siliconen!) voor 15,1% aanwezig, het derde meest voorkomende element.

https://en.wikipedia.org/..._of_the_chemical_elements

Met dat "chemisch" valt het allemaal dus wel mee.

Je zorgen zouden gerechtvaardigd kunnen worden als we chips van verarmd uranium maakten, maar dat doen we niet

[Reactie gewijzigd door _Thanatos_ op 25 juli 2024 01:13]

[quarkstar]

silicium in het Nederlands

[improperBunny]

Kleiner, energie zuiniger "+

[BadRespawn]

Volgens mij is Koolstof net zo chemisch als Siliconen of zit ik verkeerd?

siliconen http://en.wikipedia.org/wiki/Silicone
silicium http://nl.wikipedia.org/wiki/Silicium

Voordelen/nadelen ?

Zie het artikel.

[Nictel]

"Maar runt het Crysis?" In alle serieusheid, het is een mooie ontwikkeling.