Tässä artikkelissa käsitellään tietokonesirujen perusteita ja keskitytään niiden valmistuksessa käytettyihin materiaaleihin sekä tämän alan uusimpiin saavutuksiin.
Kuvan luotto: Preechar Bowonkitwanchai/Shutterstock.com
Johdatus tietokonesiruihin
Tietokonepiiri on kompakti elektroniikkapiiri, jota kutsutaan myös integroiduksi piiriksi (IC), joka on yksi useimpien elektronisten laitteiden, erityisesti tietokoneiden, perusyksiköistä. Näitä siruja kutsutaan myös mikrosiruiksi. Tietokonesirut ovat kompakteja ja koostuvat puolijohteista, jotka sisältävät useita pieniä elementtejä, kuten transistoreita, ja joita käytetään sähköisten datapakettien lähettämiseen. Ne saavuttivat suosiota 1900-luvun jälkipuoliskolla pienen koon, korkean tehokkuuden ja valmistuksen helppouden ansiosta.
Tietokone-sirujen perusluokittelu
Tällaisten sirujen perustyyppejä on useita, mukaan lukien analogiset, digitaalisesti toimivat mikrosirut ja sekasignaalin siirtotietokonepiirit. Nämä useat luokat säätelevät viestien lähettämistä ja eroavat toisistaan toiminnallisesti ja toiminnallisesti. Niiden luokittelu vaikuttaa olennaisesti niiden suorituskykyyn ja kompaktisuuteen, sillä digitaalinen tietokonesiru on pienikokoisin, erittäin tehokkain, vahvin ja laajimmin käytetty, ja se siirtää datapaketteja ykkösten ja nollien sarjana.
Mitä materiaalia käytetään runsaasti tietokonesirujen valmistukseen?
Piitä on runsaasti ja se on eniten käytetty aine tietokonesirujen valmistuksessa. Pii on luonnossa esiintyvä puolijohde. Epätäydellisyyksien ruiskuttaminen piin voi muuttaa sen sähköisiä ominaisuuksia, mikä on doping-tekniikkaa. Näiden ominaisuuksiensa ansiosta se on tehokas aine transistorien valmistukseen.
Mikrosirujen perustana toimivat piikiekot tai alustat koostuvat piistä, kun taas piiriosien yhdistämiseen käytetyt metallilangat on valmistettu alumiinista tai kuparista. Pii on laajalti esiintyvä puolijohde, mikä tarkoittaa, että se siirtää tai eristää sähköä, ja tyypillisessä rantahiekassa on suuri piin pitoisuus.
Pii puhdistetaan, sulatetaan ja jäähdytetään harkkoksi ennen kuin sitä käytetään mikrosirujen valmistukseen. Harkot leikataan sitten 1 mm:n paksuisiksi kiekoiksi. Nämä kiekot puhdistetaan peilisileiksi ennen kuin ne käyvät läpi hienostuneen prosessin sirujen muodostamiseksi.
Tämä sisältää fotolitografian, joka painaa rakenteita kiekkoihin; ioni-istutus, joka muuttaa piin sähköisiä ominaisuuksia tietyissä paikoissa; etsaus, joka poistaa tarpeettoman piin; ja ohimenevä porttirakenne. Sen jälkeen metallipiiri kiinnitetään. Metallipiirejä löytyy yli 30 kerroksessa joistakin tietokonesiruista. Hiilitransistoreiden kokoa pienennetään, jolloin varaukset pääsisivät läpi minimaalisella rajoituksella. Tämä mahdollistaisi laitteiden käynnistymisen ja sammumisen nopeammin.
Rajoitukset
Aiheeseen liittyvät tarinat
Vaikka piitä voidaan käyttää laajalti tietokonesiruissa, vaihtoehtoja kehitetään tiettyjen rajoitusten vuoksi. Piisirut ovat taloudellisia vain, jos ne ovat pieniä.
Piiuunit ovat 10 kertaa kalliimpia muutaman vuoden välein. Lisäksi on vaikea sovittaa yhteen muiden osien kanssa oikea-aikaisesti ja kustannustehokkaasti. Eristetyillä piiatomeilla on fyysisesti vaativa raja (noin 0,2 nm), mutta niiden aktiivisuudesta tulee arvaamaton ja vaikea ylläpitää tietyissä olosuhteissa. Ilman mahdollisuuksia pienentää IC:iden kokoa edelleen, pii ei voi jatkaa tähän mennessä saamiensa etujen tuottamista.
Hiilinanoputkiset tietokonesirut
Vuonna 2019 tutkijat keskittyivät hiilinanoputkiin tietokoneiden mikrosirujen valmistukseen, koska ne tarjoavat merkittäviä etuja energiankulutuksen kannalta. Hiilinanoputket ovat lähes yhtä ohuita kuin atomi. Ne myös kuljettavat sähkövarauksia olennaisesti hyvin. Tämän seurauksena ne tuottavat ylivoimaisia puolijohdetransistoreja piihin verrattuna.
Lisää AZoM:sta: Sirupulan poistaminen puolijohteiden kiertotalouden avulla
Hiilinanoputkielektroniikka voi teoriassa olla käsittelynopeudeltaan kolme kertaa parempi kuin piitietokonesirut. Ne käyttäisivät myös noin kolmanneksen piiprosessorien käyttämästä energiasta.
Nanomagneettiset tietokonesirut
Nanomagneettipohjaisten tietokonesirujen odotetaan korvaavan pian piipohjaiset tietokonesirut. Nanomagneetit käyttävät nanomagneettista teknologiaa tiedon välittämiseen ja käsittelyyn. He tekevät tämän käyttämällä kytkettäviä magneettitiloja, jotka on fotolitografisesti kiinnitetty piirin järjestelmäverkkoihin.
Nanomagneettinen logiikka toimii samalla tavalla kuin piipohjaiset puolijohteet, paitsi että transistorit kytketään päälle ja pois päältä binaaridatan tuottamiseksi, magnetointitasoja vaihdetaan. Tämä binääridata voidaan tulkita dipoli-dipolikytkentöjen kautta (yhteys kunkin magneetin pohjois- ja etelänavan välillä). Nanomagneettinen logiikka kuluttaa suhteellisen vähän tehoa, koska se ei ole riippuvainen sähkövirrasta. Kun ympäristöasiat otetaan huomioon, ne sopivat korvaamaan ne.
Yllä mainittujen materiaalien lisäksi zeoliittiohutkalvomikrosiruja tutkitaan myös niiden alhaisen dielektrisyysvakion ja erinomaisen hyötysuhteen vuoksi.
Viimeisimmät tutkimuksen edistysaskeleet
2D-materiaalien tietokonesirujen integrointiteknologioita on käsitelty David J. Mossin viimeisimmässä tutkimuksessa. Sirumittakaavainen sulautettu elektroniikka, jolla on pieni jalanjälki, pienempi energiantarve ja laajalle levinneestä tuotannosta johtuva edullinen tuotanto, on vaikuttanut merkittävästi nykyaikaiseen elämäntyyliimme.
Vaikka perinteiset metallioksidipuolijohteet, kuten pii, ovat vaikuttaneet sulautettuihin laitteisiin, niihin liittyy useita materiaalirajoituksia. Muut materiaaliintegraatiot sirulla ovat osoittautuneet houkuttelevaksi menetelmäksi näiden ongelmien ratkaisemiseksi.
Nanohiukkasten, kuten grafeenin, uraauurtavasta kehityksestä lähtien 2D-monikerroksiset materiaalit ovat herättäneet enemmistön uteliaisuutta, ja materiaaliluokka laajenee nopeasti. Bulkkivastineisiin verrattuna 2D-vaihtoehdoilla on lukuisia poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten erittäin korkea latauksen siirto, kerrostetut herkät kaistanvälit, merkittävä epäsymmetria, kaistanleveys, minimaalinen fotonisironta ja erinomaiset epälineaariset absorptio-ominaisuudet.
Niiden luontainen ohut muoto hyötyy entisestään korkean tiheyden integroinnista ja alhaisesta tehosta. 2D-materiaalien käyttö perinteisissä elektronisissa komponenteissa, kuten tietokonesiruissa, yhdistää täydellisen yhdistelmän.
Edullisia 2D-materiaaleja ovat grafeeni, grafeenioksidi, siirtymämetallidikalkogenidit, musta fosfori sekä kuusikulmainen boorinitridi, Mkseenit, perovskiitit ja metalli-orgaaniset kehykset. Näitä materiaaleja on käytetty ohutkalvoissa, mikrosiruissa, kenttätransistoreissa, mikrosuperkondensaattoreissa ja energian varastointimateriaaleissa.
Tietokone-sirujen tulevaisuus
Piisirujen pula on johtanut tietokoneiden komponenttien ja tietokonelinkkejä sisältävien elektronisten laitteiden hintojen nousuun. Vallankumouksellisen piitietokonesiruteknologian avulla voimme ehkä tulevaisuudessa luoda kvanttitietokoneita halvalla ja usein. Melbournen yliopisto tutki tätä lähestymistapaa.
Piitietokonesiru-lähestymistapa voi tuottaa suuria numeroituja hiukkasia, joita voidaan manipuloida ja nähdä niiden kvanttitilojen muuttamiseksi, linkittämiseksi ja lukemiseksi. Tämän ansiosta insinöörit voivat suunnitella kvanttilogiikkatoimintoja valtavien subatomisten hiukkasten joukkoon säilyttäen samalla erittäin tarkat toiminnot koko järjestelmässä.
Referenssit ja lisätietoa
Innovation News Network, 2022. Kvanttilaskennan edistysaskel piitietokonesirun avulla.[Verkossa] Saatavilla osoitteessa: https://www. .innovationnewsnetwork.com/advancements-quantum-computing-silicon-computer-chip/17003/
Moss, David. 2022. Integrointiteknologiat siruille 2D-materiaalien kanssa. OSF Preprints. Saatavilla osoitteessa: https://osf.io/tqmes/
Nisar, Muhammad Shemyal ym. 2021. On-Chip integroidut fotonilaitteet, jotka perustuvat vaiheenmuutosmateriaaleihin. Fotoniikka. 8(6). 205. Monitieteinen Digital Publishing Institute. 2021. Saatavilla osoitteessa: https://www.mdpi.com/2304-6732/8/6/205
Norton, M. G. 2021. Silicon – The Material of Information. Kymmenen materiaalia, jotka muokkasivat maailmaamme. 177-195. Springer, Cham. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-75213-2
Xiang, Shen ym. 2021. 2D-materiaalien tutkimusalueen kehitystrendi perustuu National Science Foundationin rahoittamiin hankkeisiin. Science Focus 16(6). 1-15. Saatavilla osoitteesta: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202106002
Vastuuvapauslauseke: Tässä esitetyt näkemykset ovat kirjoittajan yksityishenkilönä ilmaistuja näkemyksiä, eivätkä välttämättä edusta tämän verkkosivuston omistajan ja ylläpitäjän AZoM.com Limited T/A AZoNetworkin näkemyksiä. Tämä vastuuvapauslauseke on osa tämän verkkosivuston käyttöehtoja.
