（精選）計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的納米技術(shù)

1、西南大學(xué)納米科技導(dǎo)論通選課課程論文題 目 計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的納米技術(shù) 學(xué) 院 材料科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè) 材料物理 年 級(jí) 2012 級(jí)學(xué) 號(hào) 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 成 績(jī) 2013年12月3日目錄摘 要31 引言31.1 背景簡(jiǎn)介31.2 基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介42 納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用42.1 半導(dǎo)體芯片42.2 磁存儲(chǔ)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(shù)63 對(duì)未來(lái)的瞻望63.1 納米硬件或?qū)⒊霈F(xiàn)63.2 基于生化物質(zhì)與基于DNA的納米計(jì)算機(jī)63.3 機(jī)械式納米計(jì)算機(jī)73.4 納米層面的量子計(jì)算機(jī)74 對(duì)實(shí)際生活的影響7參考文獻(xiàn)7摘 要納米技術(shù)正從MEMS（微電子機(jī)械

2、系統(tǒng)）起步；把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積不過(guò)數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍，本文將淺談納米科技在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展做出一定的展望。關(guān)鍵詞：納米； 納米計(jì)算機(jī)； 應(yīng)用1 引言1.1 背景簡(jiǎn)介納米技術(shù)指明了二十一世紀(jì)計(jì)算機(jī)發(fā)展的未來(lái)。首先，專家們預(yù)測(cè)，在今后十年內(nèi)，芯片生產(chǎn)技術(shù)將達(dá)到極限。隨著芯片上集成的晶體管數(shù)量越來(lái)越接近極限，集成電路的性能將越來(lái)越不穩(wěn)定。其次，經(jīng)濟(jì)因素也將使芯片制造業(yè)走到盡頭。據(jù)測(cè)算，到2010年，建造

3、一個(gè)大型芯片生產(chǎn)廠將需要近500億美元。如此龐大的造價(jià)連英特爾公司也不堪負(fù)擔(dān)。一個(gè)芯片生產(chǎn)廠的造價(jià)大約是20億美元。相比之下，采用納米技術(shù)生產(chǎn)芯片成本十分低廉，因?yàn)樗炔恍枰ㄔO(shè)超潔凈生產(chǎn)車間，也不需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和龐大的生產(chǎn)隊(duì)伍。只要在實(shí)驗(yàn)室里將設(shè)計(jì)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(wàn)美元的生產(chǎn)成本，同時(shí)將芯片的價(jià)格將急劇下降，以至于日用電子設(shè)備甚至玩具都能夠采用功能強(qiáng)大的微處理器。11.2 基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介1.2.1 納米材料納米材料是指具有納米量級(jí)的超微粒構(gòu)成的固體物質(zhì)。納米材料具有三個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)單元或特征維度尺寸在納米數(shù)量級(jí)（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(jié)構(gòu)上的特殊性，使納米材料具有一些獨(dú)特效應(yīng)。主要表現(xiàn)為小尺寸效應(yīng)和表面或界面效應(yīng)，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(shù)納米是一種度量單位，1納米為十億分之一米。納米結(jié)構(gòu)是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)，在該水平對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行研究和處理的技術(shù)，稱之為納米技術(shù)。納米技術(shù)將會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)技術(shù)革命，從而引起21世紀(jì)又一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命。1.2.3 納米計(jì)算機(jī) 納米計(jì)算機(jī)，即將納米技術(shù)運(yùn)用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域所研制出的一種新型計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)

5、）起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯 片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。2 納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：半導(dǎo)體芯片，磁存儲(chǔ)與光存儲(chǔ)，碳納米管硅晶體管的取代者，燃料電池。2.1 半導(dǎo)體芯片當(dāng)我們說(shuō)到這個(gè)話題的時(shí)候，我們基本上就是指微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最核心的部分微處理器。其制作過(guò)程被稱為平面處理技術(shù)，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(shù)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(zhǔn)就是“線寬”，

6、它指的是IC生產(chǎn)工藝可達(dá)到的最小導(dǎo)線寬度,是IC工藝先進(jìn)水平的主要指標(biāo).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(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，線寬更小的先進(jìn)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(dǎo)體制造真正突破納米時(shí)代就在2004年，英特爾率先實(shí)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(dǎo)體芯片的晶體管規(guī)模超過(guò)2億個(gè)，頻率達(dá)到4GHz，這是一個(gè)新的里程碑。2.2 磁存儲(chǔ) 在硬盤為代表的磁存儲(chǔ)領(lǐng)域，納米技術(shù)早已得到應(yīng)用。譬如IBM發(fā)明的AFC仙塵技術(shù)就成功克服了超級(jí)順磁現(xiàn)象，讓硬盤的 存儲(chǔ)密度突破每平方英寸100Gb的級(jí)別。AFC技術(shù)：納米尺寸的“仙塵”（克服了“超級(jí)順

7、磁”效應(yīng)） AFC Media的關(guān)鍵就是通過(guò)特殊的制造技術(shù)，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(jià)稀有金屬元素，是鉑族金屬中的一員，元素符號(hào)Ru），這個(gè)釕金層大約只有三個(gè)原子厚（大約0.3納米尺度），但它可以巧妙地讓兩個(gè)相鄰的磁層互相排斥，工作時(shí)互不干擾。而這個(gè)釕金屬層本身是沒(méi)有任何磁性的，它自身不會(huì)受磁層的影響，可長(zhǎng)久保持最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)厚度精確的釕金屬層又會(huì)讓每一個(gè)磁體層的磁性以相反方向成對(duì)出現(xiàn)，兩兩組成相反陣列，最后形成了獨(dú)特的AFC硬盤結(jié)構(gòu)。2.3 碳納米管：硅晶體管的取代者 我們都知道硅在計(jì)算機(jī)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，但也

8、存在以下的問(wèn)題：隨著電路變得越來(lái)越小，電阻相對(duì)于電荷而言常常過(guò)大，使得電荷難以流動(dòng)形成電流。也就是說(shuō)，量子效應(yīng)會(huì)在接近納米尺度時(shí)限制電子設(shè)備的按比例縮減。而碳納米管不僅從尺寸上看僅相當(dāng)于人的頭發(fā)絲的百萬(wàn)分之一，相當(dāng)于目前硅晶體管的五百分之一，它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也比鋼鐵還高10倍。當(dāng)然，碳納米管得以取代硅晶體管并非借助其高強(qiáng)度的機(jī)械特性，而來(lái)自于奇妙的電學(xué)特性：管壁卷曲結(jié)構(gòu)的不同可以讓碳納米管成為一個(gè)半導(dǎo)體、良導(dǎo)體以及絕緣體，具有與硅材料相似的特性。理論上說(shuō)，以碳納米管代替硅晶體管完全可以實(shí)現(xiàn)。而且，如果我們用碳納米管來(lái)制造電腦芯片，不僅運(yùn)算速度將大幅度提高，自身尺寸也會(huì)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(gè)碳納米管，它可以達(dá)到的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)半導(dǎo)體硅芯片。2.4 燃料電池中的納米技術(shù) 在針對(duì)筆記本電腦開(kāi)發(fā)的燃料電池方面，納米技術(shù)也有應(yīng)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(dú)特的“碳納米突”催化劑結(jié)構(gòu)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(jí)的微細(xì)結(jié)構(gòu)，可以讓5納米直徑以下的鉑微?？梢跃鶆驍U(kuò)善，催化劑的表面積自然大大增加，這樣，甲醇與氧的反應(yīng)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(zhì)，稱之為“雜質(zhì)納米碳”。這種雜質(zhì)納米碳結(jié)構(gòu)可以更有效提高催化劑的微細(xì)

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(jí)別，鉑微粒與雜質(zhì)納米碳管結(jié)合得更加緊密。而由于接觸表面積的擴(kuò)大，燃料電池的輸出功率也隨之提高。3 對(duì)未來(lái)的瞻望3.1 納米硬件或?qū)⒊霈F(xiàn)美國(guó)邁特技術(shù)公司納米技術(shù)權(quán)威埃倫搏根教授做出驚人的預(yù)測(cè)，不久將來(lái)，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(dāng)今人們從網(wǎng)上下載的軟件，是以改變分子團(tuán)磁性特征的方式重新安排磁盤的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以獲得網(wǎng)上的軟件或其他信息。因此，只要將硬件的構(gòu)造設(shè)計(jì)的比分子團(tuán)的體積還要小，就可以如同轉(zhuǎn)移硬件一樣，將其他地方的硬件拿過(guò)來(lái)為己用，包括從網(wǎng)上下載一臺(tái)設(shè)備，當(dāng)然，這種硬件是肉眼看不見(jiàn)的納米硬件。3.2 基

11、于生化物質(zhì)與基于DNA的納米計(jì)算機(jī)通過(guò)將自然界中一些生化物質(zhì)進(jìn)行改造，用于某些計(jì)算過(guò)程。例如基于DNA的計(jì)算及基于菌視紫質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ).。基于DNA的計(jì)算是利用DNA片段去求解一個(gè)復(fù)雜的圖論問(wèn)題。彩用DNA分子亞基序列代表一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或的頂點(diǎn)。試管中生化反應(yīng)產(chǎn)生的大量平行動(dòng)作隨機(jī)地形成了DNA亞基序列這些序列的復(fù)合畫(huà)出了求解中可能的任意路徑?；诰曌腺|(zhì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是利用一種蛋白質(zhì)菌視紫質(zhì)進(jìn)行了光存儲(chǔ)，菌視紫質(zhì)滿足了對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)所要求的幾個(gè)性能：對(duì)可見(jiàn)光靈敏，可光寫(xiě)光擦，高分辨率，不易疲勞，實(shí)時(shí)全息；相當(dāng)寬的動(dòng)態(tài)范圍；低散射；化學(xué)穩(wěn)定性好；存儲(chǔ)壽命可延長(zhǎng)。3.3 機(jī)械式納米計(jì)算機(jī)這種納米計(jì)算機(jī)類似于微型

12、馬達(dá)，利用分子大小的活動(dòng)連桿和分子大小的繞軸承旋轉(zhuǎn)的齒輪進(jìn)行計(jì)算?？梢杂脵C(jī)械拼合過(guò)程將原子或分子積木式地逐個(gè)安放來(lái)組裝成微型機(jī)械系統(tǒng)。一旦組裝成功它們就能像一個(gè)極度縮小的、可復(fù)雜編程的機(jī)械計(jì)算器那樣對(duì)比特信息進(jìn)行運(yùn)算。3.4 納米層面的量子計(jì)算機(jī)為了突破經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度極限并解決計(jì)算機(jī)中的能耗問(wèn)題，人們開(kāi)始對(duì)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行研發(fā)。它以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用量子信息學(xué)，構(gòu)建一個(gè)完全以量子位為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)芯片。優(yōu)點(diǎn)如下：處理數(shù)據(jù)同時(shí)完成；每個(gè)量子元件尺寸都在原子尺度；當(dāng)系統(tǒng)的某部分發(fā)生故障時(shí)，輸入的原始數(shù)據(jù)還會(huì)自動(dòng)繞過(guò)，進(jìn)入系統(tǒng)的正確部分進(jìn)行正常運(yùn)算。而納米技術(shù)的不斷發(fā)展讓它不在遙遠(yuǎn)。4 對(duì)實(shí)際生活的影響隨著半導(dǎo)體芯片越做越小，人們擔(dān)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(tái)碳納米管計(jì)算機(jī)旋即橫空出世，這不僅意味著摩爾定律將會(huì)延壽，另外“硅”作為計(jì)算時(shí)代的“王者”的地位或?qū)⒉槐?，硅谷的未?lái)可能不再“姓硅”。不管怎樣，計(jì)算設(shè)備體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越便宜，性能越來(lái)越強(qiáng)大的趨勢(shì)不會(huì)改變，對(duì)廣大消費(fèi)者來(lái)說(shuō)都是利好消息。2參考文獻(xiàn)