Pierwszy na świecie plastikowy mikroprocesor i drukowana pamięć komputerowa

fot. IMEC

Międzynarodowy zespół naukowców skonstruował pierwszy plastikowy mikroprocesor. Jest to jednostka 8-bitowa z zegarem 6 Hz. Naukowcy twierdzą, że w niedługim czasie takie właśnie procesory będą powszechnie stosowane - poinformował magazyn Technology Review. 

Zespół naukowców z centrum nanotechnologii IMEC w Leuven w Belgii, organizacji badawczej TNO i firmy Polymer Vision z Holandii, skonstruował mikroprocesor składający się z 4 tys. tranzystorów organicznych. Jak powiedział Technology Review jeden badaczy, Jan Genoe z IMEC, jest on tańszy i dogodniejszy w stosowaniu niż tradycyjne mikroprocesory oparte na krzemie.

Plastikowy mikroprocesor jest taktowany zegarem 6 Hz, a więc milion razy wolniejszym niż obecne zegary mikroprocesorów stosowanych w komputerach PC. Jest to jednostka 8-bitowa, podczas kiedy obecne mikroprocesory to jednostki 128-bitowe. Wykonuje on prosty program składający się z 16 instrukcji.

Mikroprocesor został wykonany na podłożu z plastikowej folii o grubości 25 mikrometrów. Jak powiedział Genoe "jest to taka sama folia, jakiej się używa do zawijania lunchu, tylko nieco cieńsza".

Górną warstwę stanowią złote elektrody, pod którymi znajduje się warstwa plastiku, a pod nią - warstwa plastikowego półprzewodnika z 4 tys. organicznych tranzystorów. Po podgrzaniu, poprzez dostarczenie napięcia do układu, na tej warstwie tworzy się pentacen (2,3,6,7-dibenzoantracen) - organiczny związek chemiczny, policykliczny węglowodór aromatyczny, zbudowany z 5 skondensowanych pierścieni benzenowych. Pentacen jest jednym z najlepszych półprzewodników organicznych. Inne warstwy zawierają trawione metodą fotolitografii ścieżki dla tranzystorów

Jak powiedział Technology Review Jan Genoe, w przyszłości mikroprocesory plastikowe będą tworzone metodą drukowania organicznymi związkami przypominającymi atrament. Jak dodał, nastąpił już postęp w dziedzinie druku układów elektronicznych, ale nadal jest problem z tranzystorami organicznymi, nie utrzymującymi zakładanych warunków pracy. Każdy z nich jest wykonywany na bazie różnych kryształów pentacenu, stąd mają inne wydajności i parametry. Dlatego konieczna jest standaryzacja ich wytwarzania.

Naukowcy sądzą, że w ciągu kilku najbliższych lat nie uda się zastąpić plastikowymi procesorami mikroprocesorów na bazie krzemu stosowanych masowo w komputerach PC czy serwerach, ale szybko zacznie się wytwarzanie plastikowych procesorów powszechnego użytku. Niskie koszty materiałów organicznych w porównaniu z tradycyjnymi krzemowymi sprawiają, że plastikowe mikroprocesory są 10-krotnie tańsze od krzemowych.

Jak stwierdził Genoe, mimo bariery wydajności widocznej obecnie przy konstruowaniu procesorów plastikowych, te tanie mikroprocesory mogłyby być montowane np. jako elementy sterujące czujnikami czy systemami do ochrony przed wyciekami przy gazo-lub ropociągach.

Procesory te mogą także służyć w etykietach żywności do podawania ilości kalorii i substancji odżywczych w określonej porcji lub w etykietach radiowych RFID (Radio Frequency ID) do oznaczania towaru, jego miejsca wysyłki, składu i przeznaczenia. Plastikowe mikroprocesory mogłyby też obsługiwać elastyczne wyświetlacze OLED, na których są podawane informacje.

Plastikowy mikroprocesor został zaprezentowany na konferencji ISCC w San Jose w USA. Na tej samej konferencji przedstawiono również pamięć komputerową opartą na tranzystorach organicznych. Jest ona wytwarzana metodą drukowania. Jak twierdzą naukowcy, jest to bardzo tania pamięć, której można będzie używać w nieskomplikowanych układach elektronicznych, znacznie podnosząc ich wydajność.

Zespół naukowców z University of Minnesota, pod kierownictwem prof. Wei Zhanga, pracował nad tanimi pamięciami DRAM. Pamięć dynamiczna DRAM (ang. Dynamic Random Access Memory) to ulotna pamięć półprzewodnikowa o dostępie swobodnym, której elementy zbudowane są z tranzystorów. Wymaga ona okresowego odświeżania zawartości (ze względu na rozładowywanie się kondensatorów) i przez to zużywa mniej energii. Jej koszty są też niższe niż innych pamięci, a pojemność - większa.

Pamięć zbudowana przez naukowców z University of Minnesota, to prostokąt po powierzchni 24 mm kw., zbudowany z kilku warstw, nanoszonych przy pomocy drukowania organicznym atramentem. Przechowuje ona 64 bity danych.

Badaczom udało się opracowanie pamięci DRAM, ponieważ użyli żelu o dużej koncentracji jonów do stworzenia materiału oddzielającego elektrody. Pozwala to na więcej naładowań niż zastosowanie zwykle dotąd używanych żeli niskojonowych. Zmniejsza to zapotrzebowanie na moc generowane przez tranzystory pamięci, ułatwia częste zmiany stanów logicznych i dłuższą pracę bez odświeżania, czyli zwiększa szybkość i możliwości układu.

Jak powiedział Technology Review prof. Zhang, jest to pierwsza pamięć ulotna stworzona metodą drukowania. Pamięć ulotna nadaje się do szybkich operacji czytania, zapisu i nadpisywania danych, które odbywają się stale w urządzeniach komputerowych.

Drukowana pamięć DRAM, jaka opracował zespół Zhanga, dobrze nadaje się do przechowywania obrazów wyświetlanych na małych elastycznych, wyświetlaczach organicznych OLED, także tworzonych techniką drukowania. Takie wyświetlacze i pamięci mogłyby być stosowane w czujnikach, tanich telefonach komórkowych, układach elektronicznych umieszczanych na liniach produkcyjnych np. do sprawdzania stanu surowców czy urządzeń oraz w transporcie do oznaczania małych partii towarów.

PAP