poleca:
Odkąd
współzałożyciel firmy Intel, Gordon E. Moore, opisał swoją teorię w 1965
r., inżynierowie układów liczyli na to, że stały wzrost gęstości
tranzystorów zapewni wyższą wydajność chipów nawet w mniejszych
obudowach. Teraz jednak pewne ograniczenia fizyczne w skalowaniu
tranzystorów - takie jak przegrzewanie się, dyssypacja energii i
rezystancja - oznaczają, że mało prawdopodobne jest, by tradycyjne
półprzewodnikowe podejścia do projektowania zapewniły to samo tempo
postępu.
A to nie jedyne wyzwanie na drodze do mniejszych urządzeń
elektronicznych o większej mocy. Prawo Moore'a dotyczy wyłącznie układów
scalonych, takich jak chipy CMOS (o strukturze komplementarnej MOS),
które znajdują zastosowanie w komputerach osobistych, telefonach
komórkowych czy cyfrowych aparatach fotograficznych. Pokaźnych rozmiarów
gama dodatkowych, dyskretnych komponentów pasywnych - takich jak
rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne, anteny, filtry i łączniki -
połączonych wzajemnie na jednej lub dwóch płytkach drukowanych jest
nadal potrzebna, aby można było zadzwonić lub zrobić zdjęcie.
Do faktycznej miniaturyzacji potrzebne jest odmienne podejście,
oparte na zaawansowanej nanotechnologii, która wydaje się zapewniać
nieskończone możliwości i nieograniczone potencjalne zastosowania.
Poprzez integrację nowej funkcjonalności za pomocą maleńkich
nanostruktur, takich jak nanoprzewody i nanomateriały (z których każdy
jest dziesiątki tysięcy razy cieńszy od ludzkiego włosa) z chipami CMOS,
podejście "More than Moore" oznacza, że elektronika może nadal stawać
się coraz mniejsza, wydajniejsza i sprawniejsza. Tak niewielka, że
komputer w formie pigułki mógłby monitorować stan zdrowia i uwalniać
leki w organizmie człowieka, a kompletny system sterowania inteligentnym
domem mógłby mieć wielkość karty kredytowej.
"W ostatnich latach nanostrukturom i nanoprzewodom poświęcono dużo
uwagi w kontekście przyszłych CMOS. Obecnie działalność, w której
wykorzystywane są nanostruktury, zwłaszcza nanoprzewody, do tworzenia
innowacyjnych produktów 'More than Moore' jest niezwykle obiecująca" -
zauważa dr Francis Balestra, dyrektor Instytutu Sinano przy francuskim
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i naukowiec z
INP-Minatec w Grenoble.
Urządzenia w nanoskali
W ramach sieci doskonałości NANOFUNCTION (Wykraczanie poza
nanourządzenia CMOS na rzecz dodatkowych funkcjonalności CMOS) dr
Balestra wraz z zespołem naukowców, reprezentujących 15 partnerów
akademickich i przemysłowych z 10 krajów europejskich, pracował nad
integracją nanostruktur z chipami CMOS, aby dodać szeroką gamę nowych
funkcjonalności w mikroskopijnej skali. Konsorcjum, które otrzymało z
budżetu Komisji Europejskiej wsparcie w wysokości 2,8 mln EUR, skupiło
się w szczególności na ultraczułych nanoczujnikach zdolnych do
wykrywania sygnałów w molekułach; nanostrukturach do gromadzenia energii
na potrzeby opracowania autonomicznych nanosystemów; nanourządzeniach
do chłodzenia punktowego układów scalonych oraz na nanourządzeniach do
komunikacji w zakresie częstotliwości radiowych (RF).
"Tego typu nanourządzenia będą potrzebne w przyszłości w
nanosystemach o bardzo niskiej mocy lub autonomicznych do wielu
zastosowań, między innymi do monitorowania zdrowia i środowiska oraz w
Internecie przedmiotów" - wyjaśnia dr Balestra.
Nanoskalowe urządzenia SiP (systems-in-package) czy SoC
(system-on-chip), łączące moc obliczeniową z czujnikami, komunikacją
radiową i szeregiem innych funkcjonalności, mogą być na przykład
wykorzystywane do wykrywania wszelkiego typu substancji, toksycznych i
łagodnych, w tym chemikaliów w środowisku, żywności i organizmie
człowieka.
W toku projektu NANOFUNCTION naukowcy posunęli naprzód obecny stan
technologii, opracowując tanią i wysokowydajną, nanoprzewodową matrycę
czujników, która zawiera ponad 1.000 nanoprzewodów krzemowych i łączy
zróżnicowane czujniki do jednoczesnego wykrywania różnych molekuł. Aby
przetestować matrycę zespół zaprojektował efektywne techniki
funkcjonalizacji graftingu DNA - nowatorskiego i wysoce
eksperymentalnego procesu, w którym segment DNA jest usuwany i
zastępowany inną formą struktury DNA.
Zespół wykazał następnie, jak nanostruktury, pełniące także funkcje
czujników, mogą być źródłem kluczowych usprawnień istniejącej
technologii czujników i innych zastosowań elektronicznych. Prowadząc
prace w obrębie tzw. "elektroniki chłodniczej", zespół dowiódł, że
znaczna poprawa wydajności czy nowe warunki pracy są możliwe, kiedy
kluczowe komponenty układu elektronicznego zostaną schłodzone do
ultraniskich temperatur. Przyjęte podejście opiera się na nowym typie
"elektronicznej chłodnicy", wykorzystującej rozciągnięty krzem (sSi) w
połączeniu z nadprzewodnikiem, który jak do tej pory został
przetestowany na terahercowych (THz) czujnikach promieniowania - nowo
powstającej technologii, działającej w zakresie częstotliwości od
mikrofal do podczerwieni, która ma wiele potencjalnych zastosowań,
między innymi w sektorze obrazowania medycznego, bezpieczeństwa i
kosmonautyki.
Podobnie konsorcjum przyjęło nowatorskie podejście do
wykorzystywania nanostruktur w komunikacji RF, badając potencjał
nanoprzewodów jako wysoce skutecznych łączników radiowych i anten -
technologia ta mogłaby skutkować znacznym zmniejszeniem urządzeń
komunikacyjnych.
Nano-zasilanie
Ale skąd tak malutkie urządzenie mogłoby czerpać energię? Przed
bateriami tradycyjnymi jeszcze długa droga zanim osiągną nanoskalę.
Naukowcy z projektu NANOFUNCTION przeanalizowali zatem innowacyjne
sposoby zasilania urządzeń nanoskalowych z bezpośredniego otoczenia
poprzez czerpanie energii z drgań, ruchu, ciepła czy energii słonecznej i
magazynowanie jej w aktywnych materiałach, które mogą pełnić funkcję
nanobaterii. To osiągnięcie otwiera drogę do w pełni autonomicznych
nanourządzeń zdolnych do samozasilania.
"Te nanotechnologie zostaną połączone i zintegrowane z przyszłymi
autonomicznymi nanosystemami, które będą niezbędne w wielu
zastosowaniach. Główne wyzwania to opracowanie technologii
kompatybilnych z CMOS i obniżenie zużycia energii na potrzeby czujników,
obliczeń i komunikacji RF oraz zwiększenie pozyskiwania energii z
otoczenia" - wskazuje dr Balestra.
Naukowiec zauważa, że w ramach projektu NANOFUNCTION wiele problemów
zostało przezwyciężonych, a prace zespołu pomagają otworzyć drogę w
kierunku dalszej miniaturyzacji urządzeń.
"Miniaturyzacja pozostaje głównym czynnikiem obniżki cen,
zwielokrotniania funkcjonalności i integracji z innymi urządzeniami
elektronicznymi. Ponadto struktury nanoskalowe mogą poprawić wydajność
własną urządzeń lub umożliwić nową funkcjonalność, jak np. ultrawysoką
czułość wykrywania" - wyjaśnia.
Prace prowadzone w ramach NANOFUNCTION, poprzez posuwanie naprzód
aktualnego stanu technologii i podejmowanie szeroko zakrojonych działań
popularyzacyjnych wśród europejskiej i międzynarodowej społeczności
nanotechnologicznej, stanowią ważny punkt odniesienia w tej dziedzinie.
"Korzyści odniesie europejski przemysł i społeczeństwo, dzięki
przygotowaniu długofalowej integracji, na której Europa może oprzeć
wsparcie prac badawczych nad rozwojem zaawansowanej technologii w tym
strategicznym obszarze 'More than Moore', gdzie już ma silną pozycję" -
stwierdza dr Balestra.
Tym niemniej - jak dodaje - może upłynąć jeszcze 10-20 lat, zanim
tak zaawansowane nanourządzenia trafią do zastosowań komercyjnych.
"Eksploatacja komercyjna wymagać będzie dalszych badań w celu
optymalizacji nanokomponentów do niezwykle ważnych zastosowań w
europejskiej gospodarce i społeczeństwie" - zauważa.
Projekt NANOFUNCTION otrzymał wsparcie z budżetu Siódmego programu ramowego (7PR) Unii Europejskiej.
Hiperłącza do projektu w serwisie CORDIS:
- 7PR w serwisie CORDIS
- karta informacji o projekcie NANOFUNCTION w serwisie CORDIS
Hiperłącze do strony internetowej projektu:
- strona internetowa projektu "Wykraczanie poza nanourządzenia CMOS na rzecz dodatkowych funkcjonalności CMOS
Hiperłącze do materiałów wideo:
- materiał wideo nt. projektu NANOFUNCTION
Inne hiperłącza:
- strona internetowa Komisji Europejskiej poświęcona agendzie cyfrowej
