HP vindt mogelijke opvolger voor de transistor

De Quantum Research Unit van HP heeft in de nieuwste editie van het wetenschappelijke tijdschrift Journal of Applied Physics een artikel gepubliceerd waarin een mogelijke opvolger van de transistor wordt beschreven. De zogenaamde 'crossbar latch' kan volgens de HP-onderzoekers over tien tot vijftien jaar gaan dienen als opvolger voor de huidige fundamentele bouwsteen van processors, terwijl hybride chips die deels op de technologie gebaseerd zijn over zes tot zeven jaar al zouden kunnen verschijnen. Wetenschappers verwachten dat de transistors zoals we ze nu kennen vanwege de wetten der natuurkunde nooit kleiner dan 15nm kunnen worden. De crossbar latch van HP neemt echter slechts 2nm in beslag. Een ander groot voordeel is dat productiemethode eenvoudiger is; in plaats van vele miljarden per fabriek te investeren in apparatuur voor lithografie zouden de crossbar latches als het ware geprint kunnen worden.

De werking van de latches is niet gebaseerd op halfgeleiding, maar lijkt meer op die van een fysieke schakelaar. Het verschil is dat de schakelaars in dit geval slechts uit één molecuul bestaan, en niet mechanisch maar met behulp van elektrische pulsen worden bewogen. Op deze manier heeft men al NOT-, AND- en OR-gates kunnen bouwen, waarmee in principe al ieder complex circuit gerealiseerd kan worden. Er zijn op dit moment echter nog genoeg redenen om de technologie niet toe te passen. Zo kunnen de experimentele crossbar latches nog maar tien keer per seconde schakelen, terwijl transistors honderden miljarden keren per seconde van aan naar uit kunnen springen. Bovendien zijn er dure materialen nodig om ze te produceren. De draden worden gemaakt van titanium en platina, terwijl de schakelaar zelf bestaat uit het zogenaamd rotaxane. Deze stof bestaat uit doodgewone koolstof-, zuurstof-, waterstof- en stikstofatomen, maar is wel speciaal ontwikkeld door een Amerikaanse universiteit, en dus niet zomaar te krijgen.

Reacties (49)

[Verwijderd]

Ik heb een profielwerkstuk gemaakt over nanotechnologie.
Wij hebben hier ook gewerkt met rotaxaan.

Althans met een bepaalde versie, rotaxaan is een verzamelnaam, iets minder algemeen dan koolwaterstoffen, maar dat is wel de essentie.

[rtgo]

Inderdaad, het is slechts een verzamelnaam. Het plaatje hier dekt ook niet echt de lading. Hier is een PDF met wat meer info over rotaxanen (met duidelijke plaatjes):
www.ub.rug.nl/eldoc/dis/science/m.p.l.werts/c1.pdf

[masteriiz]

Heb je een link daarnaar? Is wel interessant nl.

[Verwijderd]

De uiteindelijke grootte van een chip is niet alles.
Snelheid is zeker zo belangrijk. Daarom vraag ik me af wat er met supergeleider-halfgeleider MOSFETs is gebeurd. Dit leek een aantal jaren nog steeds de holy grail omdat de schakeltijd van deze transistoren
nagenoeg nul is (ze maken gebruik van het quantum-mechanisch principe dat deeltjes zoals elektronen golfgedrag vertonen en dus elektronen met tegengestelde fase elkaar volledig kunnen opheffen).
Als je een processor en geheugen hebt dat 1000x sneller schakelt, dan maak je je niet meer zo druk over een paar vierkante mm meer of minder.

[Acers2k]

hoe kleiner, hoe meer je erin kunt doen, dus grootte maakt wel uit.

je zou kunnen zeggen je gebruikt dezelfde grootte van een chip (bepaald oppervlakte) en je gaat een techniek erop gebruiken, transistors of de quantum-mech, hoe verder de techniek ontwikkelt hoe kleiner het wordt en sneller.(ooit heeft het een limiet)

maar dit is nog het begin sinds de techniek grotendeels niet molecuul is maar rotaxane, kan er zo een soort van combo gemaakt wordenzodat het in kwadraat wordt vergroot(de snelheid), maybe langzaam beginnen en steeds sneller en sneller tot het de maximum bereikt heeft omdat er niet genoeg sensoren zijn om alles op te pikken? zeg maar de werking net als bij een zonnepaneel, 1 kaats van de zonlicht activeert meer onderdelen, of net als spaarlampen, klein hoeveelheid energie kaatst van elkaar zodat er nog meer ontstaat(tis maar mijn idee)

[Vini]

Als men in de toekomst sneller zou kunnen laten schakelen, zou dit wel eens een van de belangrijkste nieuwe technologiën kunnen zijn, transistors zijn immers in bijna alle elektrische apparaat de basis.

[Se7enth_son]

Dit is niet de enige technologie die men aan het ontwikkelen is hoor. De grootste problemen die de door HP geschetste technologie bevatten, zijn nog altijd de grondstoffen. Hoe je het ook wil zien, platina is een relatief zeldzame stof en zal dus nooit zo goedkoop worden als bijvoorbeeld silicium of aluminium. Zelf denk ik dat andere technologieen meer kans maken als opvolger voor CMOS.

Ik denk hierbij vooral aan de zogenaamde SET transistor (single-electron-tunneling transistor). Dit is een transistor die gewoon van aluminium gemaakt is, maar werkt volgens de quantummechanische eigenschappen van het elektron. Het is met een SET mogelijk om te schakelen met slechts een paar elektronen. Voordelen:
- zeer lage stromen (dus extreem weinig opgenomen vermogen)
- Extreem snelle schakelingen (>200GHz)
- minder rigoreuze aanpassingen in processor-ontwerp nodig

Voor meer info:
physicsweb.org/articles/news/7/6/16/1#SET2
en
qt.tn.tudelft.nl/research/set/setnets/setnets.html

[Niles]

Met nog steeds het gevolg dat Aluminimum vrij duur is. In ieder geval veel duurder dan Silicium (klinkt mss ingewikkeld, wordt gewoon gemaakt uit zand) em dus zullen de chips duurder worden. Daarbij heeft deze techniek ook als voordeel dat deze zéér makkelijk te produceren is (printen ipv etsen met dure lithografie apparatuur) wat de kosten ook énorm zal drukken. Als in dat geval de grondstoffen duurder zijn, kan het zijn dat ze uiteindelijk ongeveer op prijs zitten van de huidige chips. Wat dat betreft is dat dus een beter alternatief dan dat SET.

[Se7enth_son]

Ik wil niet heel vervelend doen, maar in de huidige CMOS technologie zijn alle interconnects netjes van aluminium gemaakt. Dus de enige verandering die SET met zich mee brengt, is dat er geen silicium meer nodig is als halfgeleider voor de transistor. Als ondergrond voor de chip zelf kan het gewoon gebruikt worden. En nog iets, aluminium is zo duur niet hoor

Als je even in beide artikelen was gedoken, had je kunnen zien dat een SET transistor slechts werkt door een aluminium draad op twee plekken 'door te snijden' waardoor je dus een soort eilandje krijgt. Dus geen ingewikkeld gedoe met P-gedoteerde en N-gedoteerde gebieden.

Kortom, een SET kan in de toekomst simpeler gemaakt worden met lagere kosten...

[Verwijderd]

@ Chielsen

Mag ik vragen waarop jij deze getallen baseert? Ik denk namelijk, en dat baseer ik dus nergens op, dat de ontwikkel en productie kosten (dus excl. materiaal kosten) namelijk te verwaarlozen zijn, omdat chips met miljoenen worden geproduceerd. Wat betekend dat de vaste kosten per productie eenheid relatief laag zijn.
Dus ik ben erg benieuwd op welke gegevens je jouw voorbeeld baseert.

[Pieter N.]

ter info:
Silicium wordt inderdaad goedkoop gewonnen uit zand, mr het is dan ook een feit dat Si een hoofdbestanddeel van de aarde is dus het zit zowat overal in.
Aluminium komt in enorme hoeveelheden voor in de tropen. Ook goedkoop te winnen.
Pt en Ti zijn veel zeldzamer. Ff opgezocht:
gemiddelde samenstelling lithosfeer (korst v/d aarde)
O: 466.000 ppm (parts per million)
Si 266.200 ppm
Al 81.300 ppm
Fe, Ca, Na, K, Mg,
en op de 9de! plaats Ti met 4.400 ppm
Pt is ergens op de 40ste plaats met 0,005 ppm (let op de komma!) en dat is even veel als Au (goud).

[mae-t.net]

Aluminium komt in enorme hoeveelheden voor in de tropen. Ook goedkoop te winnen.

Sterker nog, aluminium is het meest voorkomende metaal op aarde. Het erts (bauxiet) is redelijk goed te winnen, maar het kost wel een gigantische hoop stroom om daar vervolgens aluminium uit te maken.

[chielsen]

Volgens mij maakt het niet zo heel veel uit waarvan de chip is gemaakt. Natuurlijk is er wel verschil tussen silicium en platinum, maar de gebruikte hoeveelheden zijn echt miniem.
Ik denk dat als je ipv silicium een 10 x duurder materiaal gebruikt, de kosten voor een chip misschien 1/1000 duurder worden. Voornamelijk de ontwikkelkosten en de wijze van produceren maken een chip duur.

[the_stickie]

@Haagse_Harry

Natuurlik zijn de materiaalkosten niet zomaar te verwaarlozen. Maar het is wel zo dat een heel belangrijk deel van de eigenlijke kosten in R&D komt te zitten én dat de prouktie an sich ook niet goedkoop is. Je hebt vast al wel eens gehoord van die mannetjes in bunny-suits die door een cleanroom huppelen om wafers van de ene machine naar de andere te brengen ed.
Het produceren van (high-end) chips is nog steeds een betrekkelijk arbeidsintensief proces, en arbeid kost (pakken) poen. Daarnaast kan je je voorstellen dat het niet bepaald ongeschoolde arbeid is
Ook de apparatuur die ze gebruikeen is niet bepaald goedkoop, en moet dan nog regelmatig vervangen worden om door te kunnen schalen naar andere productiemethoden (ok de oude machinerie wordt dan wel gerecycleerd door er minder high-end chips op te gaan bakken.) En de fabrieken op zich zijn ook al staaltjes van technologie: volledige zalen 99%(en meer) stofvrij houden is niet evident
Conclusie: silicium is niet goedkoop maar lang niet de enige (laats staan belangrijkste) kost in het maken van chips.

[Verwijderd]

@ the_stickie

Daarnaast kan je je voorstellen dat het niet bepaald ongeschoolde arbeid is

Ik ben een keer op bezoek geweest bij de waferfab van Philips in Nijmegen. De meeste mensen die daar in de fabriek werkten (bediening apparatuur, wafers van a naar b brengen, etc.) waren echt van het niveau vakkenvuller.

@ ThaMind

Daarbij heeft deze techniek ook als voordeel dat deze zéér makkelijk te produceren is (printen ipv etsen met dure lithografie apparatuur) wat de kosten ook énorm zal drukken.

Eerlijk gezegd lijkt het me niet zo makkelijk (en dus niet goedkoop) om met een precisie van 10 nm te printen. Er nu trouwens ook al veel onderzoek gedaan naar het 'printen' van transistoren (al zijn dat wel TFT's).

Bovendien zijn de schakelsnelheden van de crossbar latch echt nog inferieur aan die van transistoren, laat staan SET's! Dus voorlopig zijn de SET's nog the way to go.

[japaveh]

@1983...
Dat jij zo'n indruk op van de mensen op de werkvloer hebt overgehouden dat ze dat niveau hebben wil niet zeggen dat de techniek erachter wel een goed en hoog niveau van de mensen verwacht. Voordat de mensen op de vloer iets kunnen doen moet het concept wel ontwikkeld worden.

Ik vind je opmerking echter niet terecht. Bij ons op IMEC (hallo yves hieronder) is het niveau van de mensen in de CMOS lijn toch zeer goed geschoold. Ik twijfel er niet aan dat dat bij Philips ook zo zal zijn.

Ik denk inderdaad het belangrijk is dat chipfabrikanten gaan kijken naar alternatieven voor standaard CMOS processing. De wet van moore komt immers erg snel bij de fysische limieten.

[Verwijderd]

@ Japaveh:

Bij ons op het DIMES zijn de mensen natuurlijk ook hooggeschoold, maar hier wordt ook voornamelijk onderzoek gedaan.

Daar bij Philips was het niet alleen mijn indruk. Ik vroeg het ook aan degene die mij rondleidde en die bevestigde mijn indruk. Als er iets niet klopt o.i.d. moet er wel een Ir. aan te pas komen. En natuurlijk werken daar ook veel hoogopgeleiden, maar degenen die zeg maar het fabriekswerk doen, zijn gewoon laagopgeleiden. Iedereen kan dat werk doen, mits ze een of andere interne cursus daar gevolgd hebben.

[Verwijderd]

Volgens mij heb je bij die technieken vooral een heel goed oog nodig, om de schakelingen te kunnen blijven volgen / registreren, of niet?

[84hannes]

transistors zijn immers in bijna alle elektrische apparaat de basis

Hoewel je gelijk hebt, kunnen de meeste apparaten het best af met transistoren van een paar milimeter groot, met schakelsnelheden in orde grote van misschien wel tienden van sconden. Uitzondering daarop zijn chips. Chips bevatten miljoenen minuscule snelschakelende transistoren, dus vooral chips hebben er direct baat bij als transistoren kleiner worden.
Chips zijn immers in bijna alle elektrische apparaat de basis.

[Verwijderd]

Wetenschappers verwachten dat de transistors zoals we ze nu kunnen vanwege de wetten der natuurkunde nooit kleiner dan 15nm kunnen worden.

Weet iemand hoe groot transistoren nu zijn?
Dit geeft mij eeen beter idee over hoeveel kleiner 2 nm switches zijn

Edit:

transistors moet transistoren zijn net als
condensators condensatoren zou moeten zijn
Toch?

[Se7enth_son]

Een 90nm transistor is ongeveer 90nm lang en 50nm breed.

Een 130nm transistor is ongeveer 130nm lang en 70nm breed.

Zoals je misschien al ziet heeft een transistor een lengte en breedte en dus als je van 130nm naar 90nm gaat, halveer je de oppervlakte van zo'n ding. Dus een stap van 13'0nm naar 90nm lijkt niet bijzonder, maar maakt dus wel degelijk zeer veel uit!

Erg jammer van dit artikel is dat je nergens kan vinden hoe groot de grid van die nieuwe technologie nou is. Een 'transistor' van 2nm zegt niets, voor chips is oppervlakte van belang! Wie weet moeten die transistoren wel 20nm uit elkaar liggen? Dan is de technologie meteen een stuk minder interessant... Kortom, chips en transistoren zijn niet zo simpel als ze lijken...

[Verwijderd]

Hier in Leuven bij IMEC is men momenteel bezig aan de 45nm CMOS technologie, deze lukt nog altijd en zal ook nog industrieel toegepast gaan worden.

Als ik het me nog goed herinner zijn ze ook al stilletjes begonnen aan 30nm, maar daar ben ik niet meer zeker van.

Wat ik ook nog regelmatig lees is de prijs van grondstoffen. Het is niet omdat een atoom vaak voorkomt, dat het ook zomaar voor het oprapen ligt als zuivere stof. Silicium komt inderdaad uit zand, maar zoals je wel weet is zand SiO2, en de plaats waar je het in die samenstelling opschept moet ook nog gevonden worden.
Iedereen die wat chemische thermodynamica gehad heeft weet dat de weg van atoom in samenstelling naar zuivere stof vrij lang is. Aluminium haal je ook "maar" uit zeewater, maar je doet er wel ettelijke intensieve stappen over om zover te komen.

Als ik me nogmaals niet vergis zijn ook de geleidende banen in chips NIET van aluminium zoals eerder al vermeld, maar van Wolfram.

En de oppervlakte van zo'n ding is inderdaad ook van groot belang, aangezien je isolatie tussen 2 transistors voldoende moet zijn...

[Verwijderd]

Als interconnect op IC's wordt nog steeds voornamelijk aluminium gebruikt.

Het maken van de siliciumwafer's is idd niet goedkoop en energierovend, maar doordat silicium zoveel voorkomt zal het m.i. altijd goedkoper blijven dan schaarse materialen, zoals platina, dat trouwens ook niet zuiver uit de grond gehaald wordt.

[Verwijderd]

Op dit moment worden er bij bv. intel en AMD 90nm transistors op de chips gebakken.

dus 2nm is nogal een behoorlijk stuk kleiner.

[dasiro]

er zijn al genoeg proefbakken op 65nm gedaan en waarschijnlijk zelfs al op 45nm

[TeXiCiTy]

Zijn die grondstoffen over vijtien jaar dan wel betaalbaar of beter gezegd rendabel (turend op schakelsnelheid ) ?

Natuurlijk geweldige ontwikkeling maar overstappen naar kleinere schakelaars lijkt me niet echt zo snelheidswinnend?

[jpiwf]

behalve dat je er veel meer op een bepaald oppervlak kan krijgen, en daarmee misschien ook wel in totaal meer snelheid uit je cpu kan halen

edit: typo

[Niles]

Alsof het aantal transistors op een oppervlakte in direct verband staat met de snelheid van een processor? Tuurlijk, bij een kleiner productieprocédé kun je doorgaans hoger doorschalen, maar dat wil nog niet zeggen dat het aantal transistors per cm² een snelheidsaanduiding geeft. Hoe meer transistors betekend helemaal niet een snellere processor!

[Voutloos]

Niet direct. Indirect wel, bijvoorbeed door uitgebreidere scoring tables te kunnen hebben voor branch prediction. Ook de overstap naar CPU's met meerdere cores wordt makkelijker. Snelheid is niet alleen de frequentie.

[Verwijderd]

als je de oppervlakte van de chip kunt verkleinen. betekend dit dus dat de data een minder lange weg moet afleggen naar zijn doel.
dit heeft tot gevolg dat je weldegelijk een snelheids winst hebt. je spreekt dan wel over een nanosecondes winst.

[TiG]

Een chip op 2GHz heeft een periode tijd van 0.5 ns. Dus dan is een ns veel!

[locke960]

Platina is niet goedkoop (zo'n EUR 22.000 per kilo) maar omdat chips heel klein zijn heb je er ook heel weinig van nodig. (kleiner is dus zeker beter)

Overigens denk ik dat die super zuivere silicium wafers die ze nu gebruiken ook niet goedkoop zijn. Als je daar alle exotische materialen die ze ook nog nodig hebben bij opteld, plus ook nog eens de ongelooflijk hoge produktie kosten, dan zou het wel het wel eens kunnen zijn dat dit goedkoper wordt.

Over snelheidswinnend. Let wel dit is geen transistor, dit is een fysieke schakelaar. Hoe kleiner, hoe makelijker hij beweegt. In dit geval is de schakelaar 1 molekuul groot...

[SuperNull]

Het is dus afwachten of deze krengen zich naar GHz niveau laten opfokken en of ze van goedkopere materialen kunnen worden geproduceerd.

Zoja, dan wordt het feest.
Reken even mee.
De huidige CPU's worden op 90nm gebakken Laten we uitgaan van 100nm.
Laten we ook ervan uitgaan dat de crossbar latch practisch gezien tot 10nm kan.
Er kunnen dan grofweg 100 keer zoveel (nee niet 10x, we hebben het over oppervlakte) schakelingen op een 'die' (processor oppervlak) van de zelfde grotte.

Royaal rekening houdend met de overhead van extra vebingsschakelingen, zou je dus zomaar op de die van een hedendaagste Opteron niet 1 maar 64 cores kunnen hebben met met niet 1 maar 64MB cache.

Sweet!

Ik zou alleen niet weten of dat haalbaar is qua stroomverbruik en warmte ontwikkeling.

[edit]

[quote]

1) Transistoren zijn niet vierkant

[/quote]
En veel details over de crossbar latch technologie zijn niet bekend. Wat ik hier maak is ook een groffe schatting, dat moge duidelijk zijn.
[quote]

Je wil helemaal geen 64 MB cache want dat gaat juist tegen het idee van cache in.

[/quote]
Sorry, maar dit is gewoon niet waar.
Het idee van cashe is dat de proc geheugen heeft wat vele malen sneller is dan het ram, met daarin een 'uittreksel' van het ram.
Zolang cashe sneller is dan het ram heeft het nut. En hoe meer ervan, hoe beter.
In de praktijk is het moeilijk om grote hoeveelheden snelle cashe op een die te zetten. Daarom is er ook het systeem van cashe levels die dat probleem aardig oplost.
[quote]

Dat is net zo onzinnig als 64 GB geheugen.

[/quote]
Dus volgens jou is het voor systemen die 64GB ram willen gebruiken sneller om te diskswappen dan alles tegelijk in het ram te hebben? Wow.

[lvh]

Dat kunnen we ook nog niet weten omdat de HP devs nog niet verklapt hebben hoeveel vermogen het ding weer uitstraalt. Dat komt nog, zeker tegen de tijd dat we hier ons moeten mee gaan bezig houden

[Verwijderd]

De huidige CPU's worden op 90nm gebakken Laten we uitgaan van 100nm.
Laten we ook ervan uitgaan dat de crossbar latch practisch gezien tot 10nm kan.
Er kunnen dan grofweg 100 keer zoveel (nee niet 10x, we hebben het over oppervlakte) schakelingen op een 'die' (processor oppervlak) van de zelfde grotte.

Royaal rekening houdend met de overhead van extra vebingsschakelingen, zou je dus zomaar op de die van een hedendaagste Opteron niet 1 maar 64 cores kunnen hebben met met niet 1 maar 64MB cache.

Sorry, maar wat een onzinverhaal is dit:
1) Transistoren zijn niet vierkant
2) [off-topic]Je wil helemaal geen 64 MB cache want dat gaat juist tegen het idee van cache in. Dat is net zo onzinnig als 64 GB geheugen.[/off-topic]

[mrtnvnl]

Hoewel dit nieuwsartikel ongetwijfeld nieuwe elementen bevat, zijn ze er al een tijdje mee bezig, zie: 28 septembre 2002 - Molecular Memories -- With the Help of Rotaxanes.

Daar staat onder meer:

Earlier this month, Stanley Williams, director of the Quantum Science Research lab at Hewlett-Packard, announced that his researchers had created the highest density of electronically switchable memory to date, capable of storing 6.4 gigabits of data in one square centimeter.

De ontwikkelingen gaan dus niet zo heel erg snel.

[the_stickie]

't is dan ook pas binnen 10 tot 15 jaar dat ze het eventueel zouden willen gaan toepassen.

Dit zijn dan ook geen "uitvindingen" die je zomaar ff vind

[Verwijderd]

Is er nog niets bekent over het theoretische rendement?

[Verwijderd]

en hoe zit het met de temperatuur van deze schakelingen, als ze die chips sneller willen maken worden ze natuurlijk ook heter, werkt het dan nog wel?

[Acers2k]

ja dat denk ik eigenlijk ook maar de stoffen waarmee deze reactie wordt gemaakt zijn zoals boven omschreven "koolstof-, zuurstof-, waterstof- en stikstofatomen", als je kijkt naar licht is dat in principe dat moleculen tegen elkaar botsen en het energie doorgeven, en dan weer uit gaat, en waarmee de snelheid licht gaat is al heel snel(weet niet precies) maar wordt niet warm, alleen de opvangende gedeelte wordt warm, zeg maar waar het licht op schijnt en niet verder kan en zo warmte maakt doordat het tegen de moleculen/atomen van het tegenhoudende stof wrijft.

als je dit voorkomt zou,
je kunnen zeggen als ze een soort rondje van maakt van die de/activering, kijk maar naar een spiegel het weerkaatst en blijft koel of wit stof. Dan zou er niet veel warmte ontstaan doordat alle energie wordt gebruikt en geen andere onnodige dingen/elementen wordt opgewekt?(kan zijn dat ik het fout heb)

[Verwijderd]

de price stijging door het materiaal zal wel mee vallen.
de pootjes van je prosesor zijn imers ook deels van goud net als de kontakt punten bij je agp of pci (X) kaart.
wat velen ook vergeten is dat het niet om opervlakte gaat maar om volume.
als je een blok platina 3 nm dik maakt kan je half geldeland bedekken.
kijk maar naar blad goud