Uma equipe de engenheiros de Stanford construiu um computador básico usando nanotubos de carbono, um material semicondutor que tem potencial para lançar uma nova geração de dispositivos eletrônicos que funcionam mais rápido, enquanto usa menos energia, do que aqueles feitos de chips de silício.

Esta façanha sem precedentes culmina anos de esforços de cientistas de todo o mundo para aproveitar este material promissor.

A conquista é relatada hoje em um artigo na capa da Natureza revista escrita por Max Shulaker e outros alunos de doutorado em engenharia elétrica. A pesquisa foi liderada pelos professores de Stanford, Subhasish Mitra e H.S. Philip Wong.

"As pessoas têm falado sobre uma nova era de eletrônicos de nanotubos de carbono indo além do silício, "disse Mitra, um engenheiro elétrico e cientista da computação, e o bolsista de engenharia da Faculdade Chambers. "Mas houve poucas demonstrações de sistemas digitais completos usando essa tecnologia empolgante. Aqui está a prova."

Especialistas dizem que a conquista de Stanford vai galvanizar esforços para encontrar sucessores para os chips de silício, que podem em breve encontrar limites físicos que podem impedi-los de fazer entregas menores, mais rápido, dispositivos eletrônicos mais baratos.

"Os nanotubos de carbono (CNTs) há muito tempo são considerados um potencial sucessor do transistor de silício, "disse o professor Jan Rabaey, um especialista mundial em circuitos e sistemas eletrônicos na UC Berkeley.

Mas até agora não estava claro se os CNTs poderiam atender a essas expectativas.

"Não há dúvida de que isso vai chamar a atenção dos pesquisadores da comunidade de semicondutores e incentivá-los a explorar como essa tecnologia pode levar a menores, processadores com maior eficiência energética na próxima década, "Rabaey disse.

Mihail Roco, consultor sênior de Nanotecnologia na National Science Foundation, chamou o trabalho de Stanford de "importante, descoberta científica. "

Foi há cerca de 15 anos que os nanotubos de carbono foram transformados pela primeira vez em transistores, os interruptores on-off no coração dos sistemas eletrônicos digitais.

Mas uma série de imperfeições perturbadoras nesses nanotubos de carbono há muito frustra os esforços para construir circuitos complexos usando CNTs. Professor Giovanni De Micheli, diretor do Instituto de Engenharia Elétrica da École Polytechnique Fédérale de Lausanne na Suíça, destacou duas contribuições importantes que a equipe de Stanford fez para esse esforço mundial.

"Primeiro, eles implementaram um processo para a fabricação de circuitos baseados em CNT, "De Micheli disse." Em segundo lugar, eles construíram um circuito simples, mas eficaz, que mostra que a computação é factível usando CNTs. "

Como disse Mitra:"Não se trata apenas do computador CNT. É sobre uma mudança de direção que mostra que você pode construir algo real usando nanotecnologias que vão além do silício e seus primos."

Por que se preocupar com um sucessor do silício? Essas preocupações surgem das demandas que os designers colocam sobre os semicondutores e sua unidade fundamental de trabalho, aquelas chaves liga-desliga conhecidas como transistores.

Por décadas, o progresso na eletrônica significou reduzir o tamanho de cada transistor para incluir mais transistores em um chip. Mas, à medida que os transistores se tornam menores, eles perdem mais energia e geram mais calor - tudo em um espaço cada vez menor, como evidenciado pelo calor que emana da parte inferior de um laptop.

Muitos pesquisadores acreditam que este fenômeno de perda de energia pode significar o fim da Lei de Moore, nomeado em homenagem ao cofundador da Intel Corp. Gordon Moore, que previu em 1965 que a densidade dos transistores dobraria aproximadamente a cada dois anos, levando a menor, mais rápido e, como se viu, eletrônicos mais baratos.

Mas menor, mais rápido e mais barato também significa menor, mais rápido e mais quente.

"A dissipação de energia de sistemas baseados em silício tem sido uma grande preocupação, "disse Anantha Chandrakasan, chefe de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT e líder mundial em pesquisa de chips. Ele chamou o trabalho de Stanford de "uma referência importante" para mover os CNTs para o uso prático. Os CNTs são longas cadeias de átomos de carbono extremamente eficientes na condução e no controle da eletricidade. Eles são tão finos - milhares de CNTs podem caber lado a lado em um cabelo humano - que gasta muito pouca energia para desligá-los, de acordo com Wong, co-autor do artigo e do professor Williard R. e Inez Kerr Bell em Stanford.

"Pense nisso como pisar em uma mangueira de jardim, "Wong disse." Quanto mais fina a mangueira, mais fácil é interromper o fluxo. "Em teoria, esta combinação de condutividade eficiente e comutação de baixa potência torna os nanotubos de carbono excelentes candidatos para servir como transistores eletrônicos.

"Os CNTs podem nos levar pelo menos uma ordem de magnitude em desempenho além de onde você pode projetar o silício pode nos levar, "Wong disse. Mas imperfeições inerentes impediram o uso prático deste material promissor.

Primeiro, Os CNTs não crescem necessariamente em linhas paralelas perfeitas, como os fabricantes de chips gostariam.

Hora extra, pesquisadores desenvolveram truques para aumentar 99,5% dos CNTs em linhas retas. Mas com bilhões de nanotubos em um chip, mesmo um pequeno grau de tubos desalinhados pode causar erros, então esse problema permaneceu.

Um segundo tipo de imperfeição também bloqueou a tecnologia CNT.

Dependendo de como os CNTs crescem, uma fração desses nanotubos de carbono pode acabar se comportando como fios metálicos que sempre conduzem eletricidade, em vez de agir como semicondutores que podem ser desligados.

Uma vez que a produção em massa é o objetivo final, os pesquisadores tiveram que encontrar maneiras de lidar com CNTs desalinhados e / ou metálicos sem ter que caçá-los como agulhas em um palheiro.

“Precisávamos de uma maneira de projetar circuitos sem ter que procurar imperfeições ou mesmo saber onde elas estavam, "Disse Mitra. O artigo de Stanford descreve uma abordagem dupla que os autores chamam de" design imune à imperfeição ".

Para eliminar os nanotubos semelhantes a fios ou metálicos, a equipe de Stanford desligou todos os bons CNTs. Em seguida, eles bombearam o circuito semicondutor cheio de eletricidade. Toda essa eletricidade concentrada nos nanotubos metálicos, que ficou tão quente que queimaram e literalmente vaporizaram em minúsculas nuvens de dióxido de carbono. Essa técnica sofisticada foi capaz de eliminar virtualmente todos os CNTs metálicos no circuito de uma vez.

Contornar os nanotubos desalinhados exigia uma sutileza ainda maior.

Portanto, os pesquisadores de Stanford criaram um algoritmo poderoso que mapeia um layout de circuito que funciona com certeza, não importa se ou onde os CNTs podem estar tortos.

"Este 'design imune a imperfeições' (técnica) torna esta descoberta verdadeiramente exemplar, "disse Sankar Basu, um diretor de programa da National Science Foundation.

A equipe de Stanford usou esse design imune a imperfeições para montar um computador básico com 178 transistores, um limite imposto pelo fato de que eles usaram as instalações de fabricação de chips da universidade em vez de um processo de fabricação industrial.

Seu computador CNT executava tarefas como contagem e classificação de números. Ele executa um sistema operacional básico que permite a troca entre esses processos. Em uma demonstração de seu potencial, os pesquisadores também mostraram que o computador CNT pode executar MIPS, um conjunto de instrução comercial desenvolvido no início dos anos 1980 pelo então professor de engenharia de Stanford e agora presidente da universidade John Hennessy.

Embora possa levar anos para amadurecer, a abordagem de Stanford aponta para a possibilidade de produção em escala industrial de semicondutores de nanotubos de carbono, de acordo com Naresh Shanbhag, professor da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e diretor da SONIC, um consórcio de pesquisa de design de chips de próxima geração.

"O artigo de Wong / Mitra demonstra a promessa dos CNTs no projeto de sistemas de computação complexos, "Shanbhag disse, acrescentando que isso "vai motivar pesquisadores em outros lugares" em direção a maiores esforços no design de chips além do silício.

"Estas são as etapas iniciais necessárias para levar os nanotubos de carbono do laboratório de química para um ambiente real, "disse Supratik Guha, diretor de ciências físicas do Thomas J. Watson Research Center da IBM e líder mundial em pesquisa de CNT.