Čip z uhlíkových nanotrubic už zvládne běh OS

Karel Javůrek  |  Technika

Vědcům se podařilo sestavit jednoduchý čip, který umožňuje běh jednoduchého operačního systému. Umí sice pouze jednu logickou funkci, ale ukazuje budoucí možnosti.

Uhlíkové nanotrubice mají různé možnosti použití. Miniaturní trubice tvořené z atomů uhlíku o velikosti v řádu nanometrů mají výjimečné vlastnosti především pro elektroniku; elektrony totiž skrze uhlíkové nanotrubice putují s minimálním odporem, téměř na jakoukoli vzdálenost.

Vědci se pokouší přijít s novými materiály na výrobu čipů. Tentokrát se však výzkum netýkal grafenu, germania ani dalších, ale přímo uhlíkových nanotrubic.

Složitá výroba i jednoduchého obvodu

Výroba uhlíkových nanotrubic pro tvorbu tranzistorů je poměrně složitá, protože při výrobě vzniká kombinace vodičů a polovodičů, takže použití pro procesor je zatím stále vzdálenou budoucností.

Různé verze uhlíkových nanotrubic. Zdroj: Wikipedia
Různé verze uhlíkových nanotrubic. Zdroj: CC BY-SA 3.0, Mstroeck

Vědci ze Stanfordu se ale v roce 2013 pokusili zaměřit na co možná nejjednodušší čip, který v rámci jednoho tranzistoru používá stovky nanotrubic. Je to sice obrovské plýtvání, ale podařilo se jim stabilně dosáhnout funkčního jednoduché čipu, který má předpokládané vlastnosti. Přibližně 10 až 200 nanotrubic tak vytvořilo jednoduché brány.

Zatím pouze 1 kHz a jedna logická funkce

Vytvořený čip je opravdu jednoduchý; tým ze Stanfordu musel navíc použít školní výrobní technologie, ale i přes to mají tyto obvody desetkrát lepší efektivitu než klasické obvody z křemíku.

Uhlíkové nanotrubice pod mikroskopem. Zdroj: Wikipedia
Uhlíkové nanotrubice pod mikroskopem. Zdroj: CC-BY-SA-2.5, Kristian Molhave

Výsledný obvod sice pracuje pouze na frekvenci 1 kHz, což je vzhledem k současným čipům s frekvencí v řádu gigahertzů velmi málo, jak už to ale u nových technologií bývá, vše začíná od nejjednodušších prototypů, na kterých se ladí výroba a vlastnosti.

Vědci se rozhodli vytvořit pouze jedinou, ale složitější funkci SUBNEG, která umožňuje vytvořit jednoinstrukční počítač. SUBNEG dokáže vzít číslo z adresy v paměti, odečíst číslo a uložit do další adresy v paměti. Pokud je výsledek negativní, pokračuje ve zpracování dalšího čísla v paměti.

Funkce SUBNEG má vlastnost Turingovské úplnosti. Vhodným uspořádáním jednotlivých logických obvodů lze tak vytvořit jakoukoli jinou funkci. Týmu vědců se tak nakonec podařilo vytvořit jednoduchý počítač, který disponuje sadou 20 instrukcí, které jsou součástí instrukční sady MIPS.

Přehled implementace funkce SUBNEG. Zdroj: Nature
Přehled implementace funkce SUBNEG. Zdroj: Nature

Jednoduché programy i operační systém

Díky této konstrukci bylo možné vytvořit jednoduché programy, například pro třídění dat nebo počítadlo smyček. Podařilo se také vytvořit jednoduchou formu operačního systému.

Tento jednoduchý operační systém dokáže nahrát jednotlivé programy do paměti a sledovat, jaké adresy v paměti jsou právě využívány jednotlivými programy a jaké adresy v paměti budou následovat.

Schéma vytvořeného počítače z uhlíkových nanotrubic. Zdroj: Nature
Schéma vytvořeného počítače z uhlíkových nanotrubic. Zdroj: Nature

Nejsložitější obvod z uhlíkových nanotrubic

I když se jedná o velmi jednoduchý čip, který je schopen běhu pouze jednouchých programů a operačního systému, jedná se zatím o nejsložitější obvod vytvořený z uhlíkových nanotrubic.

Je tak jasné, že je v této oblasti nutný ještě dlouhý výzkum a že je případné použití v klasických čipech s hromadnou výrobou ještě opravdu velmi daleko. Vzhledem k efektivitě a tedy nízké spotřebě si ale lze představit, že by se mohly jednoduché čipy složené z uhlíkových nanotrubic objevit v dohledné době jako speciální čipy pro specifické úlohy. Nebude to však dříve než za několik let.

Nejčtenější