IBM integreert radiomodule van grafeen in silicium soc-ontwerp

IBM heeft een manier gevonden om aan een traditioneel silicium chipontwerp een transistorontwerp op basis van grafeen toe te voegen. Het prototype kan dienst doen als een radio in een soc voor mobiele telefoons. Het gebruik van grafeen zou kostenverlagend kunnen werken.

IBM Research beschrijft in een onderzoek dat in Nature Communications is gepubliceerd hoe een op grafeen gebaseerde radio-eenheid de letters 'IBM' uit een radiosignaal op 4,3GHz wist te filteren. Het signaal had een snelheid van 20Mbit/s. Volgens IBM is de verwerkingssnelheid van het grafeenontwerp tienduizend maal sneller dan vorige conceptontwerpen.

Bij het soc-ontwerp beslaat het radio-element van grafeen een oppervlak van slechts 0,6 vierkante millimeter. De zogeheten graphene field-effect transistors zijn geplaatst binnen een traditioneel processorontwerp op basis van silicium. IBM stelt dat dit nieuwe ontwerp het benodigde chipoppervlak verder verkleint Bovendien zouden de fabricagekosten lager liggen.

Grafeen, dat slechts een dikte heeft van één atoom, is een relatief nieuw materiaal dat enkele unieke eigenschappen heeft. Zo is het tweehonderd maal stijver dan staal en is het honderd keer sneller dan silicium en daarmee de snelste halfgeleider. Onderzoekers doen vanwege deze eigenschappen dan ook veel research naar mogelijke toepassingsgebieden voor het nanomateriaal. Nadeel van grafeen is echter dat het zeer breekbaar is en dus lastig is te verwerken in producten.

Reacties (20)

[Sissors]

Jammer genoeg dat er extreem weinig duidelijk wordt uit het artikel. Het enige wat echt duidelijk wordt is dat ze grafeen bij een silicium chip erbij hebben gekregen. Dat is natuurlijk al wel heel handig, gezien het er nog niet op lijkt dat voor digitale schakelingen grafeen het voorlopig gaat worden. Maar hoe is dat dan gedaan? Als in kan het goedkoop in massaproductie erbij worden gedaan?

En hoe presteert die grafeen transistor dan? Uiteraard begrijp ik ook dat dat nog allemaal verbeterd kan worden met meer onderzoek, maar het lijkt mij wel relevant. Waar zit die transistor uberhaupt in de hele ontvangstketen? Hoeveel zitten er in? Eén of meerdere? Het plaatje laat een enkele transistor bij een condensator en spoel zien. Dan krijg ik het idee dat er iig ééntje als LNA wordt gebruikt. Daar heeft hij sowieso niet veel invloed op de bandbreedte van het gemoduleerde signaal. Dat hij 4.5GHz kan 'versterken' zegt natuurlijk wel wat over zijn snelheid, aan de andere kant zijn er nog nooit vragen geweest of grafeen wel snel is, maar meer of het wel serieus kan versterken bij beperkte stroom, en bij voorkeur met de rest van de voordelen van CMOS.

IBM successfully used the graphene-based receiver to process a digital transmission on a 4.3GHz radio frequency.

Ga er dus maar vanuit dat het getest is door een signaal direct vanuit een labinstrument op de chip te zetten. Dan moet je dus niet de snelheid vergelijken met bijvoorbeeld wifi, dit is een vele malen eenvoudigere situatie. Ook weet je niet hoeveel input power ze bijvoorbeeld erop hebben gezet.

Sowieso kan je ook met bijvoorbeeld SiGe en GaAs veel betere transistoren maken voor een RF front-end dan je met CMOS kan maken. Waarom zit er dan toch CMOS in elk mobieltje? Sommige dingen kunnen zuiniger ermee, maar primair is dat het heel goedkoop te maken is.

Uiteindelijk roept zo'n artikel dus bij mij meer vragen dan antwoorden op. Het kunnen samenvoegen van grafeen en silicium is een belangrijke stap, maar de vragen of grafeen uberhaupt goede performance gaat leveren blijven. Niet geheel vreemd natuurlijk, dit is voor IBM leuke reclame, maar die willen ook niet het achterste van hun tong laten zien.

Overigens:

Bij het soc-ontwerp beslaat het radio-element van grafeen een oppervlak van slechts 0,6 vierkante millimeter.

Als dit juist was zou het wel de moeder alle transistoren zijn. Zulke gigantische oppervlaktes zie je misschien terug in hele zware RF power amps, of voornamelijk eerder audio versterkers. Het is dan ook onjuist, de complete chip is zo groot:

The graphene-based receiver was built onto a chip with an area of 0.6 square millimeters, IBM said.

[Mastermind]

Grafeen heeft nog een zeer unieke eigenschap en dat is dat het diagmagnetisch is.
Zo kan een schijfje grafeen stabiel boven magneten zweven, zonder hulp van draadjes of elektriciteit, gewoon op kamertemperatuur. Iets wat tot voorheen onmogelijk werd gehouden.
http://www.youtube.com/wa...P1kvnFr_EwZWosNXnlDxgzNI6

[Reactie gewijzigd door Mastermind op 29 juli 2024 01:54]

[floppie86]

Perfect diamagnetisme is iets dat al sinds de jaren 30 bekend is in bijvoorbeeld supergeleiders.

Daarnaast zijn vrijwel alle materialen diamagnetisch en merk je dat ook als je het veld maar sterk genoeg maakt. (kikkers bijvoorbeeld ook: http://www.youtube.com/watch?v=A1vyB-O5i6E)

[Reactie gewijzigd door floppie86 op 29 juli 2024 01:54]

[jiriw]

hoe een op grafeen gebaseerde radio-eenheid de letters 'IBM' uit een radiosignaal op 4,3GHz wist te filteren. Het signaal had een snelheid van 20Mbit/s. Volgens IBM is de verwerkingssnelheid van het grafeenontwerp tienduizend maal sneller dan vorige conceptontwerpen.

Oef ... gevalletje 'lost in translation' denk ik. Radiosignalen gaan altijd met de snelheid van het licht (die afhankelijk is van het medium waarin de radiosignalen zich verspreiden. Ik ga hier uit van gewoon lucht.)
Wat er 20MBit/s was, was de bandbreedte van de digitale datastroom die, na demodulatie ('filteren' ?) met behulp van de grafeen FET, uit die ontvangstunit (een silicium chip waar de GFET een onderdeel van was, en dat was inderdaad het hele doel van het onderzoek) kwam. Overigens was de limiet van 20MBit/s volgens het originele artikel niet te danken aan de GFET zelf maar kwam het door de meetapparatuur die ze hadden gebruikt. De genoemde 'tienduizend maal' de oude verwerkingssnelheid is dus nog een theoretische. Op dit moment zijn er genoeg bestaande, goedkoop geproduceerde technologieën die een digitaal signaal met 20MBit/s bandbreedte uit een radiosignaal van 4,3GHz kunnen vissen. Denk bijvoorbeeld 5GHz WiFi. Maar daar wordt wel eerst het radiosignaal in frequentie omlaaggemixt en kan het signaal daarna, op lagere frequentie, verder verwerkt worden door 'normale' silicium FETs.

Om bij een te ontvangen radiosignaal de bruikbare data 'er uit te filteren' (om die woorden maar te gebruiken) heb je een hoogfrequent schakelende halfgeleider nodig. Bij een simpele modulatie (zoals AM) op een frequentie die laag genoeg is kan je met een enkele eenvoudige diode al af; een spoel en condensator voor je afstemkring. Als het wat ingewikkelder wordt kan je transistors of FETs goed gebruiken. Hoe hoger-frequent die halfgeleiders, hoe groter het frequentiebereik wat je in een keer kan verwerken, hoe groter, mogelijk, de bandbreedte van je gedemoduleerd signaal.
Het mooie van grafeen is (lees: blijkt uit veel onderzoek van de laatste jaren) dat het op veel hogere frequenties kan schakelen dan silicium. Voor de eerste verwerking van signalen op de hoge frequenties, vlak na de ontvangstantenne, gebruik je dus graag snel schakelende materialen, dus die GFETs.
Maar de rest van de signaalverwerking doe je liever in silicium (desnoods met meerdere parallelle pijplijnen als de totale bandbreedte van je signaal te groot is om via een enkele seriële lijn te lopen), omdat er nog steeds geen productiemethoden zijn voor 'grafeenwafers' waardoor je een heel IC ontwerp in grafeen zou kunnen maken. Ook is grafeen, zoals al aangegeven in het artikel, erg bros, dus de GFETs voeg je het liefst pas toe als de rest van de chip al klaar is.

Daarom is de ontdekking dat je een grafeen transistor op deze manier in een silicium chip kan integreren op dit moment zo bruikbaar.


[edit: grammaticafoutje en in het laatste stukje, breekbaarheid van grafeen]

[Reactie gewijzigd door jiriw op 29 juli 2024 01:54]

[nimmie]

Ik de tekst staat dat het tweehonderd maal sterker is dan staal. Een beetje verder staat dat het enigste nadeel is dat het echter zeer breekbaar is.

Kan iemand mij dat eens uitleggen?

[Heraz]

Nou ja, ik kan het proberen:
'Breekbaar' zegt iets over de taaiheid van het materiaal, maar niet over de sterkte.
Soms gaat dat samen: staal kan sterk en taai zijn, glas is meestal sterk, maar bros.

[Flipswix]

Hoe minder buigbaar een materiaal, hoe sneller het breekt. Dus hoe stijver het materiaal, hoe breekbaarder.

[Reactie gewijzigd door Flipswix op 29 juli 2024 01:54]

[Gemeijer]

Ik probeer mij die sterkte van grafeen voor te stellen:
bijv. kogelwerend grafeen?

De kogel kwam er niet door, maar het grafeen barste wel in miljoenen stukje uiteen?

[floppie86]

Waarschijnlijk bedoelen ze hier de "treksterkte" van grafeen vergeleken met die van een laagje staal. Dat is dus de kracht in een bepaalde richting. Gezien het bij grafeen om slechts één laag atomen gaat is de sterkte in de andere richting dus juist vrij zwak (er is gewoon niks).

Dit is niet zo heel erg, want het is een vrij gebruikelijke manier waarop sterkte in materialen aanwezig is. Speciale weefmethoden en composieten (mengsels van materialen) zijn hierbij de oplossingen om de kracht ook echt uit het materiaal te kunnen halen op een nuttige manier.

Het is overigens niet zo dat een materiaal "verstuift" als het erg veel kracht opneemt, het is zelfs beter. De kracht vanuit bv de kogel wordt dan geabsorbeerd door het materiaal dat daarbij breekt. Denk bijvoorbeeld aan de neus van een formule 1 wagen, die werkt op een vergelijkbare manier en "verstuift" ook vrijwel geheel bij impact.


Grafeen is overigens ook niet zomaar een "halfgeleider". In feite gedraagt het zich als een normale geleider (metaal) en is het dus ook in pure vorm niet te gebruiken als halfgeleider in bv transistoren. Het geleid gewoon super goed, maar wat vaak gewenst is, is een stof die alleen geleid onder bepaalde omstandigheden (een halfgeleider) in plaats van altijd.

[Reactie gewijzigd door floppie86 op 29 juli 2024 01:54]

[Toettoetdaan]

Vergelijk het met het glas op je smartphone, hoe krasvaster (harder) dat is, hoe sneller het breekt als je het laat vallen

[Titan_Fox]

Het prototype kan dienst doen als een radio in een soc voor mobiele telefoons. Het gebruik van grafeen zou kostenverlagend kunnen werken.

Ik vraag me af of grafeen wel een handig materiaal is voor mobiele telefoons aangezien het erg fragiel is. Mobiele elektronica wil nog wel eens een val maken waarbij grafeen relatief eenvoudig zou kunnen beschadigen.

Dat het kostenverlagend werkt is enkel interessant voor de fabrikant; die kan dan een nóg grotere winstmarge realiseren terwijl de consumentenelektronica net zo duur blijft. Een smartphone met een adviesprijs van € 600 kost in de regel amper € 200 aan materiaalkosten en assemblage. Daarom geloof ik ook niet dat de consument daar veel mee op gaat schieten.

[Toettoetdaan]

Als het beschermd word door silicium lijkt het mij gewoon toepasbaar.
Kosten verlaging is niet het enige voordeel van grafeen, zo zouden de frequenties verdubbeld kunnen worden binnen hetzelfde verbruik!

[Aham brahmasmi]

[...]

Ik vraag me af of grafeen wel een handig materiaal is voor mobiele telefoons aangezien het erg fragiel is. Mobiele elektronica wil nog wel eens een val maken waarbij grafeen relatief eenvoudig zou kunnen beschadigen.

Het grafee zit het in de processor verwerkt waardoor het helemaal niet kan bewegen t.o.v. de rest van de chip en de telefoon. De breekbaarheid is zal enkel een probleem bij de productie van de chip omdat het apart op het silicium aangebracht moet worden, wat nogal moeilijk is met een stukje materiaal van 1 atoomlaag dik.

[SkyStreaker]

Ongetwijfeld zullen ze tests doen vanaf 1 atoom dik naar dikker om uiteindelijk een acceptabele ratio te vinden tussen sterkte en breekbaarheid. Of eventueel een legering van materialen, teneinde het bruikbaarder te maken.

[floppie86]

Grafeen is per definitie maar 1 atoom dik. Een extra laag zou er voor zorgen dat bv de stroomgeleiding wegvalt.

Er ontstaat dan overigens een heel goedkoop en simpel materiaal: grafiet. Oftewel de kern van je potlood..

[gjmi]

aangezien het op een drager materiaal ligt, in eenchip, is de sterkte hier niet belangrijk

[Verwijderd]

Zo is het tweehonderd maal sterker dan staal en is het honderd keer sneller dan silicium en daarmee de snelste halfgeleider.

Sneller?
Rondje nurburgring?
Als ik het gooi?
Of is het schakel snelheid, sneller blijft een vage term als deze niet even wordt uitgelegd.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 29 juli 2024 01:54]

[jaip]

iets voor iemand dat meer wil weten over grafeen, kijken vanaf 9:38.

http://www.canvas.be/prog...27-e68bc0326317#panel-epi

Er wordt gezegd dat het buigzaam is, tegenover wat iemand hierboven beweerde.
Dit filmpje zegt ook dat het buigzaam is, + nog andere interessante eigenschappen:

http://www.youtube.com/watch?v=Q_eTLPKdrHs