計算機領(lǐng)域中的納米技術(shù)

1、西南丸學(xué)納采科技導(dǎo)港通選課課程論丈題目計算機領(lǐng)域中的納采技術(shù)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)材料揚理年級2012級學(xué)號 名_指導(dǎo)教師成纟賽2013年12月3可摘要31引倉31背景簡介31.2基礎(chǔ)知識簡介32納采技術(shù)亦計算機中的應(yīng)用42.1半尋體想片42.2壌存儲42.3碳納采管：硅晶體管的取代者52.4燃料電池中的納采技術(shù)53對未來的膽矍63納采硬件或?qū)⒊霈F(xiàn)63.2基于生化楊質(zhì)與基于DNA的納采計算機63.3 機械式納采計算機63.4納采層面的量子計算機64對賣際生活的影響7參考文獻7納耒技術(shù)正從MEMS (微電子機械糸統(tǒng)丿起步；杷傳威森、屯動機和各科處理爰都放 層一個硅芯片上而構(gòu)成一個糸統(tǒng)。應(yīng)用納

2、耒枝術(shù)硏制的計算機存芯片，其體積不過散百個慮 子大,、，相生于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納卷計算機不儀幾乎不需要耗養(yǎng)任何能源，而 且其性能要比今天的計算機強大許多信，本丈橋戲談納耒科枝心計算機的應(yīng)用，并對未來的 發(fā)展做岀一岌的展望。關(guān)純詞：納耒；納朱計算機；應(yīng)用1 Jit1.1背素簡介納耒放術(shù)指朗了二十一世紀(jì)計算機發(fā)展的未來。首先，專家們預(yù)測，A.今后 十年，芯片生廬執(zhí)術(shù)將達(dá)到極限。隨著芯片上集成的禺體管救量越來越接近極限， 集成電路的性能將越來越不稔龍。其次，經(jīng)濟因素色將使芯片制凌業(yè)走到盡頭。 據(jù)測算，列2010年，建凌一個大型芯片生尹廠將需要近500億其元。如此疣大 的凌價連英特余公司色不

3、堆負(fù)擔(dān)。一個芯片生尹廠的凌價丸約是20億其元。和比之下，采用納*技術(shù)生廬芯片成本十分低廉，因為它阮不禽要建設(shè)超潔 凈生尹車間，也不需要昂貴的實驗很備和龐大的生產(chǎn)隊任。只要在實殮嚏里將設(shè) 計好的分孑合A起，就可以凌出芯片。芯片制凌商將因此而節(jié)省救百萬美元的 生產(chǎn)成本，同肘將芯片的價格將急劇下吟，以至于目用電子設(shè)備-甚至玩具- 一都能夠采用功能強丸的微處理器。1.2基礎(chǔ)知識簡介1.2.1鋪朱材料納耒材料是指具有納耒量級的超微粒構(gòu)成的固體楊質(zhì)。納耒材抖具有三個結(jié) 構(gòu)特點：1、結(jié)構(gòu)單元或特程維度尺寸4納耒數(shù)量級(l100nm) ； 2,存淮.大 量的界面或勺由表面；3.各納*單元之間存在一定的相互作用

4、。由于納*材料 結(jié)構(gòu)上的特球性，使納*材料具有一些獨特效應(yīng)。主要裹現(xiàn)為小尺寸效應(yīng)和表面 或界面效應(yīng)，因而莊性能上與和同組成的微耒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錮耒技術(shù)納采是一種度量單伐，1納耒為十億分之一耒。納采結(jié)構(gòu)是指尺寸在100納 耒以下的微小結(jié)構(gòu)，亦該水平對場質(zhì)和材料進行研宛和處理的技術(shù)，稱之為納* 放術(shù)。納采枝術(shù)將會帶來一場枝術(shù)罩令，從而引起.21世紀(jì)又一場*業(yè)革命。1.2.3訥耒計算機納*計算機，即將納采執(zhí)術(shù)運用于計算機領(lǐng)城所研制岀的一種新型計算機。 現(xiàn)在納采枝術(shù)正從M EMS （微電子機械糸統(tǒng)丿起步，把傳威器、電動機和各種處 理麥都放淮.一個碇

5、芯片上而構(gòu)成一個糸統(tǒng)。2納耒技術(shù)蠱計算機中的應(yīng)用納采枝術(shù)在計算機領(lǐng)城的應(yīng)用主要集中A以下兒個方面：半導(dǎo)體芯片，該存 儲與光存儲，旅納耒管畦晶體管的取代者，燃料電也。2.1半導(dǎo)體繪片當(dāng)我們說到這個話題的肘候，我們基本上就是指微型計算機糸統(tǒng)中最核心的 部分微處理器。其制作過程彼稱為平面處理枝術(shù)，它使制凌出含有大規(guī)棋硅 晶體管的集成電路芯片旌.枝術(shù)上成為可能。生尹澆程如下：提煉硅錠一切割甜 圓一 光刻一 光刻膠.的使令一 富子注入一 電敘晶圖一拋光處.理一 晶圏 切片一封裝一成岀爐。而衡量制凌工藝的基準(zhǔn)就是“線寬”，它指的是IC 生產(chǎn)工藝可達(dá)到的最小導(dǎo)線寬度、是ic工藝丸進水平的主要指標(biāo).統(tǒng)寬越小，

6、集成 度就壽、癥同一面積上就集成靈多電路單元一簡單點說，線寬靈小的丸進工藝不 僅有助于提壽芯片的性能，還可以吟低制凌成本。半導(dǎo)體制凌真正：fe破納耒肘代 就A 2004年，英特余率先賣現(xiàn)的90納*工藝（0.09微耒丿。90納耒工藝的 引入，可以讓半導(dǎo)體芯片的晶體管規(guī)橈翅過2億個，頻率達(dá)列4GHz,這是一個 熱的里程碑。2.2城存赭亦硬盤為代表的該存儲領(lǐng)城，納*技術(shù)早已得到應(yīng)用。譬如IBM發(fā)朗的AFC 仏塵放術(shù)就成功克服了超級順滋現(xiàn)象，讓硬盤的 存綺宏度突玻每平方英寸100Gb的級別。AFC枝術(shù)：納耒尺寸的“仏塵”（克服了 “超級順該”效應(yīng)丿AFC Media的關(guān)健就是通過特殊的制凌枝術(shù)，A硬盤

7、盤片的滋層間添加了 一層薄諒的 全厲釘元素層（Ruthenium釘：一種硬而脆呈丸次色的多價稀有全禺元素，是錨 族全厲中的一員，元素符號Ru丿，這個釘全層大約只有三個原子厚（大約0.2 納耒尺度丿，但它可以巧妙地讓兩個相鄰的礙層互和排斥，工作肘互不干擾。而 這個釘全厲層本身是沒有任何滋性的，它勺身不會受滋層的影響，可長久保持最 佳的稔定狀態(tài)。同肘厚度精確的釘全厲層又會讓每一個該體層的該性以和反方向 成對岀現(xiàn)，兩兩組成和反陣列，最后形成了獨特的AFC硬盤結(jié)構(gòu)。23瑣納耒管：硅晶體管的取代者我們都知道畦在計算機生尹中起著至關(guān)重要的作用，但也存在以下的問題： 隨著電路變得越來越小，亀險加對于電持而言

8、常常過大，使得電椅難以流動形成 電澆。也就是說，量子效應(yīng)會蠱接近納*尺度肘限制電子設(shè)備的按比例縮減。而 碳納耒管不僅從尺寸上看僅相當(dāng)于人的頭發(fā)絲的百萬分之一，相當(dāng)于目前碇晶體 管的五百分之一，它的結(jié)構(gòu)強度僉比鋼鐵還壽10信。生然，旅納*管得以取代 硅晶體管并非借肋其壽強度的機械特性，而來自于奇妙的電學(xué)特性：管壁卷曲結(jié) 構(gòu)的不同可以讓碳納卷管成為一個豐導(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，以破納耒管代掙硅晶體管兜全可以賣現(xiàn)。而且，如果我們 用碳.納卷管來制凌電腦芯片，不僅運算速度將大幅度提爲(wèi)，t身尺寸也會大大輪 小，功耗大幅降低，我們可以在一塊指甲蓋大小的芯片上集成兒十億個

9、碳納耒管， 它可以達(dá)到的復(fù)雜度迄運超過半導(dǎo)體畦芯片。2.4燃料電池中的鋪耒技忒A針對筆詢本電腦開發(fā)的燃料電辿方面，納*技術(shù)也有應(yīng)用。這一研克方面 主要有兩丸代表，NEC,目立。NEC的燃料亀辿方親使用一種非常獨特的“破 納耒突”催化劑結(jié)構(gòu)其作用是是作為金厲錮做粒的我體。由于旅納*:fe材料表面 具有納耒級的微細(xì)結(jié)構(gòu)，可以讓5納采直徑以下的錮微?？梢跃鶆蜃o善，催化利 的表面積勺然大丸增加，這樣，甲尊與氧的反應(yīng)量就變得激忠，可以釋放岀更多 的電能。目立的方令是將嗾納*管中的部分嗾原子置換成氮、硼之類的雜質(zhì)，稱 之為“雜質(zhì)納采旅”。這種雜質(zhì)納耒碳結(jié)構(gòu)可以更有效提需傕化利的微細(xì)度，加 上目立將錮微粒的

10、直徑從原先的10納耒障到2納卷級別，錮微耘與雜質(zhì)納卷碳 管結(jié)合得更加緊宏。而由于接牡表面積的獷大，燃料電池的輸出功率也隨之提需。3對未來的婕望3.1納耒琰件或?qū)⒊霈F(xiàn)X國還特枝術(shù)公司納采枝術(shù)權(quán)成埃倫44根教授做岀驚人的預(yù)測，不久將來， 任何人不僅可以從互聯(lián)網(wǎng)下栽軟件，而且也可以下戟硬件。他的解粹是，當(dāng)今人 們從網(wǎng)上下栽的軼件，是以改變分子團礙性特征的方式重新安排該盤的楊質(zhì)結(jié) 構(gòu)，以獲得阿上的軟件戎其他信息。因此，只要將硬件的構(gòu)凌設(shè)計的比分子團的 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來為己用，包括 從網(wǎng)上下栽一臺設(shè)備，當(dāng)然，這種硬件是由眼看不見的納采硬件。3.2基于生化腸質(zhì)與基

11、于DNA的納耒計算機通過將勺煞界中一些生化物質(zhì)進行改凌，用于某些計算過程。例如基于DNA 的計算及基于前視紫質(zhì)的數(shù)據(jù)存綺。基于DNA的計算是利用DNA片段去求解 一個復(fù)親的圖怡問題。彩用DNA分子亞基序列代表一個網(wǎng)絡(luò)戎的頂點。試管中 生化反應(yīng)尹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(fù)合畫岀 了求解中可能的任意路徑。基于茵視紫質(zhì)的數(shù)據(jù)存綺是利用一種蛋自質(zhì)茵視 紫質(zhì)進行了光存綺，藺視紫質(zhì)滿足了對存赭介質(zhì)所要求的幾個性能：對可見光靈 敎，可光寫光擦，壽分辨率，不易疲勞，實肘全息；相芻覽的動態(tài)閔；低散射； 化學(xué)穩(wěn)定性好；存綺壽令可延長。3.3機械武納耒計算機這種納卷計算機類似于微熨馬達(dá)

12、，利用分子丸小的活動連桿和分子丸小的統(tǒng) 柚承淡轉(zhuǎn)的齒輪進行計算。可以用機械拼合過程將原子或分子積木式地逐個安放 來組裝成微空機械糸統(tǒng)。一型組裝成功它們就能像一個極度縮小的、可復(fù)雜編程 的機械計算翠那樣對比特信息進行運算。3.4納耒層面的受子計算機為了尖玻經(jīng)典計算機的運算速度憑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(xué)基礎(chǔ)，運用量子佶息學(xué)，構(gòu)建一個免全 以量子伐為基礎(chǔ)的計算機芯片。優(yōu)點如下：處理教據(jù)同肘兜成；每個量子元件尺 寸都柱原子尺度；當(dāng)糸統(tǒng)的芷部分發(fā)生故障肘，輸入的原始數(shù)據(jù)還會勺動統(tǒng)過， 進入糸統(tǒng)的正確部分進行正常運算。而納耒枝術(shù)的不斷發(fā)曼讓它不柱遙運。4對賣際生活的彩響隨著半導(dǎo)體芯片越做越小，人們擔(dān)心，傳統(tǒng)的摩余定律（芯片上的晶體管宏 度每隔一年豐就翻一信丿將走列盡頭，而告別傳統(tǒng)硅芯片的世界首臺旅納*管計 算機淡印橫咗岀世，這不僅憊味著摩余定律將會延壽，另外“硅”作為計算肘代 的“王者”的地佞或?qū)⒉槐?，硅谷的未來可能不冉“雄硅”。不管怎樣?/p>