Computer a Nanotubi di carbonio

Processori a Nanotubi di carbonio

Domanda :

Roberto A.: ho sentito una notizia da un mio amico cioè quella che hanno inventato un computer che non ha più i soliti semiconduttori,  ma va a … non ho capito bene a carbonio? E come funziona?

Risposta:

Avrai sentito sicuramente parlare di Nanotubi di carbonio .

Come funzionano? :

Gli atomi di carbonio, formano delle strutture ordinate a forma  esagonale che sottoposte a trattamenti ,  tendono a rotolarsi  formando una nuova struttura  cilindrica , di cui il nome di NanoTubo .

I nanotubi al carbonio hanno  mostrato delle sorprendenti proprietà di conduttività che cambiano secondo la loro geometria; alcuni mostrano un comportamento metallico, altri comportamento  simile a un semiconduttore.

 In determinate condizioni, gli elettroni passano all'interno di un nanotubo senza per altro riscaldarlo.

Per questo i nanotubi sono interessanti, ma lo rendono ancora più interessante le dimensioni che sono sugli ordini di 9 nanometri , rispetto agli attuali microprocessori che misurano alcuni micrometri .

I processori a nanotubi di carbonio, raggiungono facilmente i   1000 GHz con minimo dispendio termico.

Dopo tanti sforzi ed esperimenti, I ricercatori di Stanford hanno sviluppato un nano processore a nanotubi di carbonio, ed ecco il primo rudimentale computer  che apre nuove frontiere alla sempre più miniaturizzazione e alla sempre più crescente velocità di calcolo e con bassissime perdite di energia termica.

Ci sono ancora molte difficoltà costruttive da affrontare, ma il primo passo è stato fatto,  adesso si aspetta  la perfezione della tecnologia dei nanotubi di carbonio e quindi il processore futuristico che aprirà le porte della quantistica.

AGGIORNAMENTO a giugno 2025:

Progressi significativi (dal 2013 a oggi):

1. Miglioramento della Purezza e Uniformità: Una delle sfide maggiori è sempre stata la produzione di nanotubi di carbonio (CNT) con proprietà elettriche uniformi e senza difetti. Grandi passi avanti sono stati fatti nel controllo della chiralità (che determina se un CNT è metallico o semiconduttore) e nella riduzione dei difetti. Si sono sviluppate tecniche per sintetizzare CNT con una purezza molto più elevata e per separarli in modo più efficace.
2. Transistor CNT (CNTFET) più Performanti: I transistor basati su CNT (CNTFET) hanno dimostrato prestazioni elettriche eccezionali, superando in alcuni parametri i transistor al silicio di dimensioni simili, soprattutto per quanto riguarda la velocità di commutazione e l'efficienza energetica. Sono stati costruiti CNTFET con lunghezze di canale molto piccole, avvicinandosi ai limiti fisici.
3. Integrazione su Larga Scala (ma ancora in ricerca): I ricercatori hanno fatto progressi nell'integrare un numero maggiore di CNTFET in circuiti complessi. Nel 2019, l'MIT ha presentato un processore a 16 bit basato su CNT (ribattezzato "Moonshot"), dimostrando la capacità di costruire un'architettura completa, anche se rudimentale. Questo ha mostrato che è possibile superare alcune delle sfide di allineamento e contatto.
4. Processi di Fabbricazione Comparabili al Silicio: Sono state esplorate e raffinate tecniche di fabbricazione che possono essere più compatibili con le infrastrutture esistenti per la produzione di chip al silicio, riducendo la barriera all'ingresso per una potenziale commercializzazione.
5. Applicazioni Niche e Sensori: Oltre ai processori, i CNT hanno trovato applicazioni promettenti in settori di nicchia come sensori ultra-sensibili (es. per gas, biomolecole), memorie non volatili e componenti ottici-elettronici, che potrebbero aprire la strada a un'adozione più ampia.

Sfide che persistono (motivo per cui non sono ancora mainstream):

1. Produzione di Massa Uniforme: La sfida più grande rimane la produzione di milioni o miliardi di CNT con le proprietà elettriche desiderate, senza difetti e perfettamente allineati, su larga scala e in modo riproducibile a costi competitivi. Ogni CNT ha proprietà uniche, e garantire l'uniformità è difficile.
2. Resistenze di Contatto: Realizzare contatti elettrici a bassa resistenza tra i CNT e gli elettrodi è ancora un ostacolo. Alti livelli di resistenza di contatto possono annullare i benefici intrinseci dei CNT in termini di velocità.
3. Integrazione e Scaling: Anche se sono stati costruiti processori rudimentali, scalarli fino alla complessità dei moderni microprocessori (con miliardi di transistor) è una sfida enorme. L'allineamento preciso dei nanotubi e la gestione della variabilità dei materiali sono problemi complessi.
4. Costo e Complesso Processo: I processi di fabbricazione dei CNT sono ancora costosi e complessi rispetto alle consolidate tecniche al silicio, che beneficiano di decenni di ottimizzazione e di economie di scala gigantesche.
5. Competizione con il Silicio: L'industria del silicio continua a innovare (es. architetture 3D, nuovi materiali per transistor). I CNT devono offrire un vantaggio così significativo da giustificare l'enorme investimento necessario per una transizione tecnologica.
6. "Porte della quantistica": È importante chiarire che, sebbene i nanotubi possano avere proprietà quantistiche a livello nanometrico, non sono direttamente "processori quantistici" nel senso di computer che sfruttano fenomeni come la sovrapposizione e l'entanglement per calcoli complessi. Sono piuttosto visti come un potenziale successore del silicio per i computer classici ad alte prestazioni.

In sintesi, dal 2013 i nanotubi di carbonio hanno continuato a dimostrare il loro enorme potenziale a livello di laboratorio, con progressi significativi nella comprensione e nella manipolazione. Tuttavia, le sfide di produzione di massa, uniformità e integrazione su scala industriale rimangono gli ostacoli principali che impediscono una loro adozione diffusa come successori del silicio nel mercato dei microprocessori convenzionali.

MIKI 4☂