Kampen om den næste nanometer

De kommende Pentium Extreme CPU indeholder 169 millioner silicium-transistorer – nok til at fylde et kredsløb på størrelse med en fodboldbane, hvis den var fremstillet med almindelige, diskrete komponenter.

Det første spørgsmål, som får det til at løbe koldt ned af ryggen på chip-giganterne er, hvornår silicium teknologien ikke kan presses yderligere. Det andet spørgsmål er: Hvad så? En mulig redning er kulstof-baserede komponenter – molekylær elektronik.

Silicium og kulstof er naboer i det periodiske system. Hvor computerchips er baseret på silicium-komponenter, er levende organismer baseret af kulstof. Indtil nu har udviklingen været hæmmet af, at det er meget vanskeligt at lave gode transistorer baseret på kulstof. Et nyt spændende gennembrud hos Hewlett Packard kan vende op og ned på dette.

Siden 1950'erne er der ofret enorme pengesummer på at perfektionere de processer, der forvandler strandsand til de mange hundrede kilogram tunge enkelt-krystaller bestående af 99,999999 pct. rent silicium af hvilke, man fabrikerer chips med komplicerede elektroniske kredsløb.

Silicium-teknologiens kronjuvel er og bliver CPU'en, Central Processing Unit, centralhjernen i enhver computer. Der pakkes stadigt større mængder transistorer ned på de dyrebare kvadratcentimeter af siliciumskiverne. Giganter som Motorola, Intel og AMD er i særdeles intenst kapløb for at forbedre disse i forvejen absurd komplicerede mikrokredsløb.

En af forudsætningerne for at skrue skruen endnu hårdere i er at mindske liniebredden – de tyndeste streger man kan tegne i kredsløbet. Når man hakker 10-20 nanometer ekstra af liniebredden eller får gate-elektroden et par nanometer tættere på den halvledende kanal, går farten og tætheden et stykke op.

Erfaringen viser, at kredsløbene altid kan blive en lille smule mindre, men omkostningerne øges samtidig dramatisk.

For det første tegnes stregerne ved at belyse en fotofølsom film gennem en maske, og selvom man benytter hård ultraviolet stråling for at få bølgelængden som lille som muligt, samt ekstremt komplicerede og dyre linse systemer, stopper problemerne ikke her.

De halvledende kanaler i transistorerne er så små, at en enkelt atomar urenhed fra eller til kan gøre en forskel. Det dielektriske materiale, der isolerer den halvledende kanal fra den metalliske gate-elektroden, der regulerer strømmen, er så tyndt, at elektronerne let springer igennem og kortslutter transistoren.

Med CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) teknologi ser den synlige horisont for en fortsat udvikling af silicium teknologien ud til at være 10-15 år endnu.

Dommedags-profeterne har udbasuneret siliciums endeligt mange gange, og dog er silicium her endnu. Men er det kommet for at blive? Optimisterne sætter deres lid til at de enorme markedsinteresser igen og igen vil presse flere fantasifulde tricks ud af forskere og udviklere, så møllehjulet kan dreje nok en omgang. Det argumenteres med, at sådan er det gået i 50 år, så mon ikke det fortsætter? Det gør det ikke.

Den eksponentielle minituarisering kan ikke fortsætte uendeligt – før eller siden vil transistorerne have størrelse som enkelte atomer, hvilket er definitivt »end-of-the-assembly-line«. Det afgørende er, hvor tæt vi kan komme på denne grænse.

Siliciums bomstærke lillebror

Der er kolossal interesse for alternative materialer og teknologier, der kan leverer komponenter i nanoskala.

Grundstoffet, der er absolut mest fleksibelt med henblik på at bygge komplicerede nanostrukturer, er siliciums lillebror, kulstof, der er i samme hovedgruppe i det periodiske system (fire elektroner i yderste skal) og har mange egenskaber til fælles med silicium.

Begge danner diamant-krystalstruktur med stærke kovalente bindinger, begge har høje smeltepunkter og en alsidig kemi. Både silicium og kulstof binder sig gladelig til en lang række andre grundstoffer, hvilket gør det muligt at danne et stort antal forskellige kemiske forbindelser. Men på alle disse punkter er kulstof overlegen. Det afgørende er netop den kovalente binding.

Jo kortere bindingen er, jo stærkere er den, og kulstof er med atomtal 6 et meget, meget lille atom. Dette resulterer så i den hårdeste krystal, diamant, der eksisterer i naturen samt det højeste smeltepunkt (3500 C).

De to grundstoffer har hver sin »niche« som byggemateriale. Kulstof er grundstenen i liv på planeten, mens silicium er basis for den mest avancerede genstand mennesket endnu har kunnet frembringe, nemlig computerchippen. Et voksent menneske indeholder omkring 10 kilogram kulstof, men kun 20 milligram silicium.

Kulstof kan udføre en række kemiske tricks, som silicium ikke kan, og som gør det suverænt som grundpille i komplekse netværk af specialiserede molekyler. For det første er kulstof-kulstof bindingen så stærk, at kulstofatomer er i stand til at danne både loops (som for eksempel benzen) og kæder, endda uden at der behøver at være hydrogen blandet ind i det. Af samme grund oxiderer grafit ikke, i modsætning til silicium, der altid er dækket af et tyndt lag oxid.

Kulstof er stabilt i meget små mængder, hvilket igen er en fordel; det er umuligt at danne en dobbelthelix med silicium som rygrad. Derfor har naturen valgt kulstof som byggemateriale – variationsmulighederne er langt større end med silicium, og muligheden for at lave multifunktionelle, meget kompakte materialer er derfor til stede.

Man kan på denne baggrund undre sig over, hvad silicium kan, som kulstof ikke kan i forhold til komplekse elektroniske kredsløb.

Kulstofkrystaller findes i to former, grafit og diamant, der er henholdsvis et semi-metal og en isolator. Ingen af disse former kan bruges til at lave transistorer. Ydermere er hårdheden, det høje smeltepunkt og den store modstandskraft mod ætse-processer et problem; det er meget sværere at danne strukturer i grafit og diamant end silicium. Man laver ikke uden videre 100 kg tunge en-krystallinske diamanter.

Med individuelle organiske molekyler ser det bedre ud. Kæder af kulstof kan ligesom grafit (der er et semimetal) lede en elektrisk strøm, og på grund af kulstofs specielle evne til at indgå i komplekse kemiske strukturer, er det muligt at designe og syntetisere enkelte molekyler, der opfører sig som transistorer og hukommelseselementer – hvilket vil sige, at de elektriske egenskaber kan ændres gennem to eller flere mulige, stabile konfigurationer af molekylet.

Fordelen er, at disse »komponenter« er født minituariserede, med størrelser på få nanometer. De er allerede rigeligt små! Sammen med forskningslaboratorier i hele verden forsøger giganter som IBM, Motorola, HP ihærdigt på at gøre molekylær elektronik til en reel mulighed for helt eller delvist at overtage siliciums rolle. James Heath fra California Institute of Technology meldte ud i 2002:

»Vi har fremstillet en 64 bit random access memory kredsløb med bistabile rotaxan molekyler som hukommelseselementer, og vi er er i færd med at fremstillet en 16 kilobit hukommelseskredsløb med en tæthed, som overstiger det er muligt med den nuværende teknologi«.

Et fantastisk gennembrud og dog meget langt fra en moderne Pentium chip. I dag, tre år efter venter forskerne stadigt på nyt fra Heath.

Litografi er begrænsningen

Selvom det en dag lykkes at komme så vidt, har de molekylære transistorer og hukommelseselementer, der indtil nu har været foreslået, det samme problem som siliciumteknologi. De er stadigvæk afhængige at kunne forbindes til et »trykt« nanokredsløb, og dette ville man normalt skulle fremstille med konventionel litograf. Og så er man lige vidt. Der er ikke sparet plads, og det går ikke hurtigere.

Komponenterne er ganske vist meget små i sig selv, men det ikke desto mindre plads at definere tilledninger. Derudover er det svært at få molekylerne til at havne de rigtige steder. Der tales om »selvorganisering« – at molekylerne skal kodes, så de selv samler kredsløbet med tilledninger og komponenter – men en sådan vej til færdige chips har en så lang en tidshorisont, at det ikke giver mening at gætte. Endeligt er der så lige problemet med elektronmobiliteten, som er et mål for, hvor nemt en elektron kan bevæge sig igennem et materiale.

Organiske molekyler har generelt en elektron-mobilitet, der er en lille brøkdel af silicium en-krystal elektron-mobiliteten, hvilket gør dem meget langsommere.

I en artikel i det amerikanske tidsskrift Journal of Applied Physics offentliggør forskere fra Hewlett Packard de første testresultater af et logisk kredsløb baseret på en ny type komponent, der blev patenteret i 2003, og det ser virkelig ud til, at det virker.

Komponenten er et lille relæ, der kan huske sin tilstand i længere tid selv, uden at den tilføres strøm (i modsætning til en transistor). Relæet kan udføre AND, OR og NOT operationer, som er grundlæggende for at kunne lave aritmetiske beregninger og kan derfor i princippet bruges til at lave computere helt uden transistorer.

CMOS er fremragende
På trods af denne nye opdagelse skal man ikke forvente at en færdig molekylær computer er lige om hjørnet. Det tog omkring 50 år at nå fra opfindelsen af transistoren til Pentium 4, og som nævnt er det en enorm udfordring at pakke molekylære komponenter så tæt og præcist, som man kan i dag med siliciumteknologi.

En transistor på kun 2-3 nanometer i størrelse er vanskeligt at forbinde til resten af det elektriske kredsløb, for ikke at tale om millioner af dem. Så imens chipproducenterne piner kredsløbenes størrelse et par ekstra nanometer ned, arbejdes der på højtryk for at skabe velfungerende kredsløb af kulstofbaserede alternativer, der forhåbentligt tager kortere end 50 år at modnes – hvis det da nogensinde sker.

Lektor Ole Hansen fra Danmarks Tekniske Universitet tror ikke på, at kulstof nogensinde vil blive et seriøst alternativ til CMOS-teknologi:

»Hvis en teknologi skal kunne konkurrere med CMOS på kompleksitet uden at kræve samme avancerede litografi, kan jeg kun se selvorganiserede systemer som en mulighed. Men selvorganiserede, menneskeskabte systemer er i dag kun drømme.«.

Vi kan håbe på at få kulstofbaseret elektronik at se i sensorer og billige, smid-væk kredsløb, men computere bliver det ikke til foreløbigt. Ole Hansen fortsætter: »CMOS realiseret med dagens eller den nære fremtids teknologi har fremragende egenskaber, et muligt scenarium er, at miniaturiseringen stopper med CMOS, og man må få det bedste ud af den teknologi, der er til rådighed«.

Peter Bøggild er lektor i Nanoteknologi ved MIC – Institut for Mikro- og Nanoteknologi, DTU og arbejder med integration af molekylære nanostrukturer med mikrosystemer på stor skala. Han er desuden fagmedarbejder ved Ingeniøren.