計算機領域中的納米技術

1、西南大學納米科技導論通選課課程論文題 目 計算機領域中的納米技術 學 院 材料科學與工程學院專 業(yè) 材料物理 年 級 2012 級學 號 姓 名 指 導 教 師 成 績 2013年12月3日目錄摘 要31 引言31.1 背景簡介31.2 基礎知識簡介42 納米技術在計算機中的應用42.1 半導體芯片42.2 磁存儲52.3 碳納米管：硅晶體管的取代者52.4 燃料電池中的納米技術63 對未來的瞻望63.1 納米硬件或將出現(xiàn)63.2 基于生化物質與基于DNA的納米計算機63.3 機械式納米計算機73.4 納米層面的量子計算機74 對實際生活的影響7參考文獻7摘 要納米技術正從MEMS（微電子機械

2、系統(tǒng)）起步；把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統(tǒng)。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積不過數(shù)百個原子大小，相當于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍，本文將淺談納米科技在計算機的應用，并對未來的發(fā)展做出一定的展望。關鍵詞：納米； 納米計算機； 應用1 引言1.1 背景簡介納米技術指明了二十一世紀計算機發(fā)展的未來。首先，專家們預測，在今后十年內，芯片生產(chǎn)技術將達到極限。隨著芯片上集成的晶體管數(shù)量越來越接近極限，集成電路的性能將越來越不穩(wěn)定。其次，經(jīng)濟因素也將使芯片制造業(yè)走到盡頭。據(jù)測算，到2010年，建造

3、一個大型芯片生產(chǎn)廠將需要近500億美元。如此龐大的造價連英特爾公司也不堪負擔。一個芯片生產(chǎn)廠的造價大約是20億美元。相比之下，采用納米技術生產(chǎn)芯片成本十分低廉，因為它既不需要建設超潔凈生產(chǎn)車間，也不需要昂貴的實驗設備和龐大的生產(chǎn)隊伍。只要在實驗室里將設計好的分子合在一起，就可以造出芯片。芯片制造商將因此而節(jié)省數(shù)百萬美元的生產(chǎn)成本，同時將芯片的價格將急劇下降，以至于日用電子設備甚至玩具都能夠采用功能強大的微處理器。11.2 基礎知識簡介1.2.1 納米材料納米材料是指具有納米量級的超微粒構成的固體物質。納米材料具有三個結構特點：1、結構單元或特征維度尺寸在納米數(shù)量級（1100nm）；2、存在大量

4、的界面或自由表面；3、各納米單元之間存在一定的相互作用。由于納米材料結構上的特殊性，使納米材料具有一些獨特效應。主要表現(xiàn)為小尺寸效應和表面或界面效應，因而在性能上與相同組成的微米材料有非常顯著的差異，體現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能和全新的功能。1.2.2 納米技術納米是一種度量單位，1納米為十億分之一米。納米結構是指尺寸在100納米以下的微小結構，在該水平對物質和材料進行研究和處理的技術，稱之為納米技術。納米技術將會帶來一場技術革命，從而引起21世紀又一場產(chǎn)業(yè)革命。1.2.3 納米計算機 納米計算機，即將納米技術運用于計算機領域所研制出的一種新型計算機?，F(xiàn)在納米技術正從MEMS（微電子機械系統(tǒng)

5、）起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯 片上而構成一個系統(tǒng)。2 納米技術在計算機中的應用納米技術在計算機領域的應用主要集中在以下幾個方面：半導體芯片，磁存儲與光存儲，碳納米管硅晶體管的取代者，燃料電池。2.1 半導體芯片當我們說到這個話題的時候，我們基本上就是指微型計算機系統(tǒng)中最核心的部分微處理器。其制作過程被稱為平面處理技術，它使制造出含有大規(guī)模硅晶體管的集成電路芯片在技術上成為可能。生產(chǎn)流程如下：提煉硅錠>切割晶圓>光刻>光刻膠的使命>離子注入>電鍍晶圓>拋光處理>晶圓切片>封裝>成品出爐。而衡量制造工藝的基準就是“線寬”，

6、它指的是IC生產(chǎn)工藝可達到的最小導線寬度,是IC工藝先進水平的主要指標.線寬越小,集成度就高,在同一面積上就集成更多電路單元簡單點說，線寬更小的先進工藝不僅有助于提高芯片的性能，還可以降低制造成本。半導體制造真正突破納米時代就在2004年，英特爾率先實現(xiàn)的90納米工藝（0.09微米）。90納米工藝的引入，可以讓半導體芯片的晶體管規(guī)模超過2億個，頻率達到4GHz，這是一個新的里程碑。2.2 磁存儲 在硬盤為代表的磁存儲領域，納米技術早已得到應用。譬如IBM發(fā)明的AFC仙塵技術就成功克服了超級順磁現(xiàn)象，讓硬盤的 存儲密度突破每平方英寸100Gb的級別。AFC技術：納米尺寸的“仙塵”（克服了“超級順

7、磁”效應） AFC Media的關鍵就是通過特殊的制造技術，在硬盤盤片的磁層間添加了一層薄薄的金屬釕元素層（Ruthenium釕：一種硬而脆呈淺灰色的多價稀有金屬元素，是鉑族金屬中的一員，元素符號Ru），這個釕金層大約只有三個原子厚（大約0.3納米尺度），但它可以巧妙地讓兩個相鄰的磁層互相排斥，工作時互不干擾。而這個釕金屬層本身是沒有任何磁性的，它自身不會受磁層的影響，可長久保持最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。同時厚度精確的釕金屬層又會讓每一個磁體層的磁性以相反方向成對出現(xiàn)，兩兩組成相反陣列，最后形成了獨特的AFC硬盤結構。2.3 碳納米管：硅晶體管的取代者 我們都知道硅在計算機生產(chǎn)中起著至關重要的作用，但也

8、存在以下的問題：隨著電路變得越來越小，電阻相對于電荷而言常常過大，使得電荷難以流動形成電流。也就是說，量子效應會在接近納米尺度時限制電子設備的按比例縮減。而碳納米管不僅從尺寸上看僅相當于人的頭發(fā)絲的百萬分之一，相當于目前硅晶體管的五百分之一，它的結構強度也比鋼鐵還高10倍。當然，碳納米管得以取代硅晶體管并非借助其高強度的機械特性，而來自于奇妙的電學特性：管壁卷曲結構的不同可以讓碳納米管成為一個半導體、良導體以及絕緣體，具有與硅材料相似的特性。理論上說，以碳納米管代替硅晶體管完全可以實現(xiàn)。而且，如果我們用碳納米管來制造電腦芯片，不僅運算速度將大幅度提高，自身尺寸也會大大縮小，功耗大幅降低，我們可

9、以在一塊指甲蓋大小的芯片上集成幾十億個碳納米管，它可以達到的復雜度遠遠超過半導體硅芯片。2.4 燃料電池中的納米技術 在針對筆記本電腦開發(fā)的燃料電池方面，納米技術也有應用。這一研究方面主要有兩大代表，NEC、日立。NEC的燃料電池方案使用一種非常獨特的“碳納米突”催化劑結構其作用是是作為金屬鉑微粒的載體。由于碳納米突材料表面具有納米級的微細結構，可以讓5納米直徑以下的鉑微粒可以均勻擴善，催化劑的表面積自然大大增加，這樣，甲醇與氧的反應量就變得激烈，可以釋放出更多的電能。日立的方案是將碳納米管中的部分碳原子置換成氮、硼之類的雜質，稱之為“雜質納米碳”。這種雜質納米碳結構可以更有效提高催化劑的微細

10、度，加上日立將鉑微粒的直徑從原先的10納米降到2納米級別，鉑微粒與雜質納米碳管結合得更加緊密。而由于接觸表面積的擴大，燃料電池的輸出功率也隨之提高。3 對未來的瞻望3.1 納米硬件或將出現(xiàn)美國邁特技術公司納米技術權威埃倫搏根教授做出驚人的預測，不久將來，任何人不僅可以從互聯(lián)網(wǎng)下載軟件，而且也可以下載硬件。他的解釋是，當今人們從網(wǎng)上下載的軟件，是以改變分子團磁性特征的方式重新安排磁盤的物質結構，以獲得網(wǎng)上的軟件或其他信息。因此，只要將硬件的構造設計的比分子團的體積還要小，就可以如同轉移硬件一樣，將其他地方的硬件拿過來為己用，包括從網(wǎng)上下載一臺設備，當然，這種硬件是肉眼看不見的納米硬件。3.2 基

11、于生化物質與基于DNA的納米計算機通過將自然界中一些生化物質進行改造，用于某些計算過程。例如基于DNA的計算及基于菌視紫質的數(shù)據(jù)存儲.。基于DNA的計算是利用DNA片段去求解一個復雜的圖論問題。彩用DNA分子亞基序列代表一個網(wǎng)絡或的頂點。試管中生化反應產(chǎn)生的大量平行動作隨機地形成了DNA亞基序列這些序列的復合畫出了求解中可能的任意路徑?；诰曌腺|的數(shù)據(jù)存儲是利用一種蛋白質菌視紫質進行了光存儲，菌視紫質滿足了對存儲介質所要求的幾個性能：對可見光靈敏，可光寫光擦，高分辨率，不易疲勞，實時全息；相當寬的動態(tài)范圍；低散射；化學穩(wěn)定性好；存儲壽命可延長。3.3 機械式納米計算機這種納米計算機類似于微型

12、馬達，利用分子大小的活動連桿和分子大小的繞軸承旋轉的齒輪進行計算?？梢杂脵C械拼合過程將原子或分子積木式地逐個安放來組裝成微型機械系統(tǒng)。一旦組裝成功它們就能像一個極度縮小的、可復雜編程的機械計算器那樣對比特信息進行運算。3.4 納米層面的量子計算機為了突破經(jīng)典計算機的運算速度極限并解決計算機中的能耗問題，人們開始對量子計算機進行研發(fā)。它以量子力學為基礎，運用量子信息學，構建一個完全以量子位為基礎的計算機芯片。優(yōu)點如下：處理數(shù)據(jù)同時完成；每個量子元件尺寸都在原子尺度；當系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時，輸入的原始數(shù)據(jù)還會自動繞過，進入系統(tǒng)的正確部分進行正常運算。而納米技術的不斷發(fā)展讓它不在遙遠。4 對實際生活的影響隨著半導體芯片越做越小，人們擔心，傳統(tǒng)的摩爾定律（芯片上的晶體管密度每隔一年半就翻一倍）將走到盡頭，而告別傳統(tǒng)硅芯片的世界首臺碳納米管計算機旋即橫空出世，這不僅意味著摩爾定律將會延壽，另外“硅”作為計算時代的“王者”的地位或將不保，硅谷的未來可能不再“姓硅”。不管怎樣，計算設備體積越來越小，價