Wspólnotowy Serwis Informacyjny Badan i Rozwoju - CORDIS

FP7

Najciekawszy artykuł

Źródło dofinansowania: FP7-ICT

Prezentacje projektów - Nanourządzenia w świecie technologii "More than Moore"

Prawo Moore'a - wedle którego liczba tranzystorów w układzie scalonym, a przez to jego moc obliczeniowa, podwaja się co 18 miesięcy - pozostawało niemal przez pół wieku zasadą przewodnią w projektowaniu chipów. Niemniej w świetle fizycznych ograniczeń w dalszym skalowaniu tranzystorów, prawo Moore'a mogło trafić na równego sobie. Wkraczamy w świat technologii "More than Moore", w którym dofinansowywani ze środków unijnych naukowcy grają pierwsze skrzypce.
Prezentacje projektów - Nanourządzenia w świecie technologii "More than Moore"
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

Powiązane informacje

Śledź nas na: RSS Facebook Twitter YouTube Zarządzany przez Urząd Publikacji UE W górę