Slik lyder det ofte fra folk når jeg forteller om hva jeg studerer. Det stemmer også; nano er lite. Så når man forteller om nanoelektronikk, er det vanskelig for mange å se for seg hva det er snakk om, og hvor dette kan brukes. For å forstå det kan det være lurt å se på historien til datamaskinen og hvordan konseptet med digital elektronikk oppsto.
3D-modell av et utkutt av en prosessor. foto – Intel SoC
Det er interessant å bemerke at konseptet av en datamaskin eksisterte lenge før konseptet for digital elektronikk. Mennesker har i omtrent 4500 år brukt mekaniske hjelpemidler for å hjelpe med regneoppgaver, da i form av abacus eller kuleramme. Deretter ble de mekaniske regnemaskinene mer og mer avanserte, og et av de mer interessante eksemplene av dette er den såkalte Antikythera-mekanismen, som antageligvis ble konstruert rundt 150–100 f.Kr. for å kalkulere stjerneposisjoner, og ser ut til være en svært komplisert og avansert konstruksjon. Lignende teknologi vil ikke bli sett før 1000 år senere, da planisphere og lignende maskiner ble utviklet.
Alle disse maskinene hadde en ting til felles, og det er at de hadde veldig spesifikke oppgaver, gjerne knyttet til astronomi. Dette var tilfellet helt til 1822, da Charles Babbage fomulerte sin idé om en datamaskin som kunne ta for seg generelle regneoperasjoner. Denne såkalte differansemaskinen var en slags mekanisk kalkulator, og sies å være den sanne forfaderen til dagens datamaskiner. Denne maskinen var enorm, og hadde veldig begrenset regnekapasitet sammenlignet med hva vi ser for oss som en kalkulator nå. Etter differansemaskinen kom det mange flere mekaniske datamaskiner, med høyere og høyere kompleksitet og størrelse. Dette ville vise seg å være den største begrensningen for en analog mekanisk maskin, da store deler var tunge og bevegde seg sakte. Det var åpenbart et det måtte nytenkning til her for å effektivisere datamaskinen.
Det var i 1936 at den første universelle elektroniske datamaskinen ble beskrevet, av ingen andre enn Alan Turing. Transistoren hadde enda ikke blitt bygget, så denne maskinen var teoretisk. Likevel er dette grunnlaget for det vi ser på som datamaskinen i dag. Disse ideene ble også senere implementert ved hjelp av elektromekaniske maskiner, som brukte mekaniske brytere for å styre strømmen igjennom maskinen. Den første “turing-komplette” datamaskinen ble bygget i 1946 og het ENIAC, og selv om denne var konstruert for å kalkulere artilleriskudd for det amerikanske forsvaret, kunne den også programmeres generelt for nesten hvilken som helst oppgave. Siden den brukte vakuumrør var den også omtrent tusen ganger raskere enn de elektromekaniske maskinene. Men vakuumrør hadde sine egne problemer. De var store, brukte mye energi og utviklet mye varme. Komplekse systemer som ENIAC var enorme og kunne fylle flere rom, samtidig som de var langt mindre kraftige enn de fleste billige kalkulatorer er i dag.
Verdens første transistor – GPL
Omtrent samtidig ved Bell labs ble den første transistoren konstruert. For de som ikke vet dette, er en transistor en slags spenningsstyrt bryter. Enkelt forklart har den to innganger og en utgang, der den ene inngangen styrer om signalet fra den andre kommer fram til utgangen. Denne transistoren var cirka 10 cm i det vi nå ville kalt bredde, og dermed ikke stort mindre enn et vakuumrør. Derimot var den lettere og brukte mindre energi. Forskere som hadde ansvaret for andre prosjekter ved laboratoriet, så straks potensialet i dette, og brukte disse transistorer til å utvikle mindre og lettere versjoner av en teknologi som ville forandre verden, nemlig radio. Det ville ta noen år til før transistorer ble brukt i datamaskiner, men da de tidlig på 50-tallet utviklet de første transistorradioene, ble disse enormt populære. De var vesentlig billigere å produsere enn tilsvarende radio med vakuumrør og varte lenger på datidens batterier. Milliarder av disse ble produsert på 60- og 70-tallet. Dette er mulig fordi transistorer også har en forsterkningseffekt som kan brukes til å bygge forsterkere til radiosignaler.
På 50-tallet startet også forskere med å sette transistorer inn i datamaskiner i stedet for vakuumrør. Dette brakte med seg mange av de samme fordelene som ved radio, og samtidig den største fordelen av dem alle: størrelse. Transistorene som etter hvert ble utviklet, kunne være mye mindre enn vakuumrørene, og det førte til at størrelsen på maskinene i forhold til datakraften kunne minke betraktelig.
Disse transistorene var av typen BJT, noen som betyr at de trengte to forskjellige typer halvledere for å fungere. Dette begrenset hvor små de kunne være. Transistorene på denne tiden kunne altså ikke være mindre enn ca. en millimeter i lengde. Dette er fortsatt ganske lite, tilnærmet diameter på et nåløye, men allerede på 70-tallet hadde vi utviklet transistorer som var omtrent 10 µm i lengde, altså omtrent halvparten av bredden til et hårstrå.
Symbolet for en MOSFET transistor
Det var også rundt da at den teknologien vi enda bruker for design av digital elektronikk ble utviklet, nemlig CMOS. CMOS er en teknologi som kraftig forenkler måten vi laget digitale kretser på. Det økte også robustheten, altså evnen kretsen har til å gi ut riktige signaler kraftig. CMOS bruker komplementære oppsett av transistorer, gjerne av typen MOSFET, for å implementere logiske operatorer som AND, OR, NOT og så videre. Måten man setter transistorene opp på bestemmer altså hva slags logisk operasjon du får ut. Det er komplementært på den måten at transistorene logisk speiler hverandre om utgangen, noe som sikrer et sterkt utgangssignal ved at utgangen enten får forsyningsspenningen eller jord direkte oppkoblet mot seg, og aldri begge deler. På denne måten sikrer vi oss også et “friskt” signal ved at signalet kommer direkte fra forsyningspenningen, og ikke fra tidligere i kretsen.
Med denne teknologien kan man bygge en logisk funksjon som for eksempel en 2 input NAND med 4 transistorer. Teknologien har også fordelen av at den er inverterende, noe som sikrer en god fordeling mellom 0-ere og 1-ere i kretsen. Dette er fordelaktig for stabil strømforsyning. En annen fordel med CMOS kombinert med FET-transistorer er at hele kretsen kan bygges av et materiale, dopet polysilisium, med unntak av koblingene mellom de forskjellige portene som muligens må være metall. Denne prosessen er ganske komplisert, men kort oppsummert brukes forskjellige masker for å behandle forskjellige deler av kretsen med diverse gasser og eksponering for lys.
Det at vi kan behandle polysilisium på denne måten er det som gjør at vi kan bygge kretser på mikro- og nanonivå. Fordi vi bruker lys og optikk for maskene er det bølgelengden på lyset og kvaliteten på optikken som begrenser oss i stedet for størrelsen på verktøyet vårt. Det var denne utviklingen som gjorde av vi kunne utvikle transistorer som var kortere enn 1µm, altså diameteren på en gjennomsnittlige bakterie. Jo mindre transistorene kan være, jo flere kan du ha. Det betyr mer datakraft du kan presse inn på et lite område og, mindre effektbruk.
Dette har ført til et evig press for å lage transistorer mindre og mindre, noe som fører til enorme fordeler og store utfordringer. Det er nemlig slik at elektronikken oppfører seg svært annerledes på så små størrelser enn man ville forventet. Dette fører til at man må beregne helt andre karakteristikker for transistorer på 100 nm enn på f.eks. 1 µm. På dette nivået begynner effektene av kvantefysikk å bli veldig merkbare, og kvantetunnelering (quantum tunneling) er en effekt man må regne med. Kanskje ikke så rart når 100nm er mindre enn diameteren på HIV-viruset. Dette er også rundt det minste nivået vi jobber med på UiO (90 nm).
Snitt av en MOSFET transistor med områdene merket. foto- Wikipedia Commons.
Andre steder har de kommet enda lenger med denne prosessen, og ved dags dato ligger de minste masseproduserte transistorene på 14 nm, altså mindre enn det minste viruset og bredden til celleveggen i de fleste bakterier. Teoretisk sett kan vi lage transistorer som er enda mindre, og allerede i 2010 ble det laget en transistor som var 4nm i lengde, som bestod av 7 atomer. Den minste transistoren ble laget i 2012, og består av et enkelt fosforatom festet på en overflate av silisium. Det vil si at den har en lengde på rundt 180 pm. Hvis denne teknologien utvikles videre, vil kanskje nanoelektronikk-retningen ved IFI måtte skifte navn til picoelektronikk, for ikke å henge etter slik som fysisk gjør med sin svært utdaterte mikroelektronikk.
Ved hjelp av disse bittesmå bryterne har vi altså klart å utvikle datamaskiner med enorm kraft i ekstremt små pakker. 1.5 milliarder transistorer som kan behandle hundrevis av milliarder av flyttallsoperasjoner per sekund med en prosessor som i praksis kun er 177 kvadratmillimeter, altså ca. ¼ størrelsen av et frimerke.
