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1、西南大学纳米科技导论通选课课程论文题 目 计算机领域中的纳米技术 学 院 材料科学与工程学院专 业 材料物理 年 级 2012 级学 号 姓 名 指 导 教 师 成 绩 2013年12月3日目录摘 要31 引言31.1 背景简介31.2 基础知识简介42 纳米技术在计算机中的应用42.1 半导体芯片42.2 磁存储52.3 碳纳米管：硅晶体管的取代者52.4 燃料电池中的纳米技术63 对未来的瞻望63.1 纳米硬件或将出现63.2 基于生化物质与基于DNA的纳米计算机63.3 机械式纳米计算机73.4 纳米层面的量子计算机74 对实际生活的影响7参考文献7摘 要纳米技术正从MEMS（微电子机械
2、系统）起步；把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍，本文将浅谈纳米科技在计算机的应用，并对未来的发展做出一定的展望。关键词：纳米； 纳米计算机； 应用1 引言1.1 背景简介纳米技术指明了二十一世纪计算机发展的未来。首先，专家们预测，在今后十年内，芯片生产技术将达到极限。随着芯片上集成的晶体管数量越来越接近极限，集成电路的性能将越来越不稳定。其次，经济因素也将使芯片制造业走到尽头。据测算，到2010年，建造
3、一个大型芯片生产厂将需要近500亿美元。如此庞大的造价连英特尔公司也不堪负担。一个芯片生产厂的造价大约是20亿美元。相比之下，采用纳米技术生产芯片成本十分低廉，因为它既不需要建设超洁净生产车间，也不需要昂贵的实验设备和庞大的生产队伍。只要在实验室里将设计好的分子合在一起，就可以造出芯片。芯片制造商将因此而节省数百万美元的生产成本，同时将芯片的价格将急剧下降，以至于日用电子设备甚至玩具都能够采用功能强大的微处理器。11.2 基础知识简介1.2.1 纳米材料纳米材料是指具有纳米量级的超微粒构成的固体物质。纳米材料具有三个结构特点：1、结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级（1100nm）；2、存在大量
4、的界面或自由表面；3、各纳米单元之间存在一定的相互作用。由于纳米材料结构上的特殊性，使纳米材料具有一些独特效应。主要表现为小尺寸效应和表面或界面效应，因而在性能上与相同组成的微米材料有非常显著的差异，体现出许多优异的性能和全新的功能。1.2.2 纳米技术纳米是一种度量单位，1纳米为十亿分之一米。纳米结构是指尺寸在100纳米以下的微小结构，在该水平对物质和材料进行研究和处理的技术，称之为纳米技术。纳米技术将会带来一场技术革命，从而引起21世纪又一场产业革命。1.2.3 纳米计算机纳米计算机，即将纳米技术运用于计算机领域所研制出的一种新型计算机。现在纳米技术正从MEMS（微电子机械系统）起步，把传
5、感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯 片上而构成一个系统。2 纳米技术在计算机中的应用纳米技术在计算机领域的应用主要集中在以下几个方面：半导体芯片，磁存储与光存储，碳纳米管硅晶体管的取代者，燃料电池。2.1 半导体芯片当我们说到这个话题的时候，我们基本上就是指微型计算机系统中最核心的部分微处理器。其制作过程被称为平面处理技术，它使制造出含有大规模硅晶体管的集成电路芯片在技术上成为可能。生产流程如下：提炼硅锭切割晶圆光刻光刻胶的使命离子注入电镀晶圆抛光处理晶圆切片封装成品出炉。而衡量制造工艺的基准就是“线宽”，它指的是IC生产工艺可达到的最小导线宽度,是IC工艺先进水平的主要指标.线宽越小,集
6、成度就高,在同一面积上就集成更多电路单元简单点说，线宽更小的先进工艺不仅有助于提高芯片的性能，还可以降低制造成本。半导体制造真正突破纳米时代就在2004年，英特尔率先实现的90纳米工艺（0.09微米）。90纳米工艺的引入，可以让半导体芯片的晶体管规模超过2亿个，频率达到4GHz，这是一个新的里程碑。2.2 磁存储 在硬盘为代表的磁存储领域，纳米技术早已得到应用。譬如IBM发明的AFC仙尘技术就成功克服了超级顺磁现象，让硬盘的 存储密度突破每平方英寸100Gb的级别。AFC技术：纳米尺寸的“仙尘”（克服了“超级顺磁”效应） AFC Media的关键就是通过特殊的制造技术，在硬盘盘片的磁层间添加了
7、一层薄薄的金属钌元素层（Ruthenium钌：一种硬而脆呈浅灰色的多价稀有金属元素，是铂族金属中的一员，元素符号Ru），这个钌金层大约只有三个原子厚（大约0.3纳米尺度），但它可以巧妙地让两个相邻的磁层互相排斥，工作时互不干扰。而这个钌金属层本身是没有任何磁性的，它自身不会受磁层的影响，可长久保持最佳的稳定状态。同时厚度精确的钌金属层又会让每一个磁体层的磁性以相反方向成对出现，两两组成相反阵列，最后形成了独特的AFC硬盘结构。2.3 碳纳米管：硅晶体管的取代者 我们都知道硅在计算机生产中起着至关重要的作用，但也存在以下的问题：随着电路变得越来越小，电阻相对于电荷而言常常过大，使得电荷难以流动形
8、成电流。也就是说，量子效应会在接近纳米尺度时限制电子设备的按比例缩减。而碳纳米管不仅从尺寸上看仅相当于人的头发丝的百万分之一，相当于目前硅晶体管的五百分之一，它的结构强度也比钢铁还高10倍。当然，碳纳米管得以取代硅晶体管并非借助其高强度的机械特性，而来自于奇妙的电学特性：管壁卷曲结构的不同可以让碳纳米管成为一个半导体、良导体以及绝缘体，具有与硅材料相似的特性。理论上说，以碳纳米管代替硅晶体管完全可以实现。而且，如果我们用碳纳米管来制造电脑芯片，不仅运算速度将大幅度提高，自身尺寸也会大大缩小，功耗大幅降低，我们可以在一块指甲盖大小的芯片上集成几十亿个碳纳米管，它可以达到的复杂度远远超过半导体硅芯
9、片。2.4 燃料电池中的纳米技术 在针对笔记本电脑开发的燃料电池方面，纳米技术也有应用。这一研究方面主要有两大代表，NEC、日立。NEC的燃料电池方案使用一种非常独特的“碳纳米突”催化剂结构其作用是是作为金属铂微粒的载体。由于碳纳米突材料表面具有纳米级的微细结构，可以让5纳米直径以下的铂微粒可以均匀扩善，催化剂的表面积自然大大增加，这样，甲醇与氧的反应量就变得激烈，可以释放出更多的电能。日立的方案是将碳纳米管中的部分碳原子置换成氮、硼之类的杂质，称之为“杂质纳米碳”。这种杂质纳米碳结构可以更有效提高催化剂的微细度，加上日立将铂微粒的直径从原先的10纳米降到2纳米级别，铂微粒与杂质纳米碳管结合得
10、更加紧密。而由于接触表面积的扩大，燃料电池的输出功率也随之提高。3 对未来的瞻望3.1 纳米硬件或将出现美国迈特技术公司纳米技术权威埃伦搏根教授做出惊人的预测，不久将来，任何人不仅可以从互联网下载软件，而且也可以下载硬件。他的解释是，当今人们从网上下载的软件，是以改变分子团磁性特征的方式重新安排磁盘的物质结构，以获得网上的软件或其他信息。因此，只要将硬件的构造设计的比分子团的体积还要小，就可以如同转移硬件一样，将其他地方的硬件拿过来为己用，包括从网上下载一台设备，当然，这种硬件是肉眼看不见的纳米硬件。3.2 基于生化物质与基于DNA的纳米计算机通过将自然界中一些生化物质进行改造，用于某些计算过
11、程。例如基于DNA的计算及基于菌视紫质的数据存储.。基于DNA的计算是利用DNA片段去求解一个复杂的图论问题。彩用DNA分子亚基序列代表一个网络或的顶点。试管中生化反应产生的大量平行动作随机地形成了DNA亚基序列这些序列的复合画出了求解中可能的任意路径。基于菌视紫质的数据存储是利用一种蛋白质菌视紫质进行了光存储，菌视紫质满足了对存储介质所要求的几个性能：对可见光灵敏，可光写光擦，高分辨率，不易疲劳，实时全息；相当宽的动态范围；低散射；化学稳定性好；存储寿命可延长。3.3 机械式纳米计算机这种纳米计算机类似于微型马达，利用分子大小的活动连杆和分子大小的绕轴承旋转的齿轮进行计算。可以用机械拼合过程
12、将原子或分子积木式地逐个安放来组装成微型机械系统。一旦组装成功它们就能像一个极度缩小的、可复杂编程的机械计算器那样对比特信息进行运算。3.4 纳米层面的量子计算机为了突破经典计算机的运算速度极限并解决计算机中的能耗问题，人们开始对量子计算机进行研发。它以量子力学为基础，运用量子信息学，构建一个完全以量子位为基础的计算机芯片。优点如下：处理数据同时完成；每个量子元件尺寸都在原子尺度；当系统的某部分发生故障时，输入的原始数据还会自动绕过，进入系统的正确部分进行正常运算。而纳米技术的不断发展让它不在遥远。4 对实际生活的影响随着半导体芯片越做越小，人们担心，传统的摩尔定律（芯片上的晶体管密度每隔一年半就翻一倍）将走到尽头，而告别传统硅芯片的世界首台碳纳米管计算机旋即横空出世，这不仅意味着摩尔定律将会延寿，另外“硅”作为计算时代的“王者”的地位或将不保，硅谷的未来可能不再“姓硅”。不管怎样，计算设备体积越来越小，价格越来越便宜，性能越来越强大的趋势不会改变，对广大消费者来说都是利好消息。2参考文献1 罗于陵博士、郑凯安博士. 全球纳米技术专利趋势分析：国家、机构与技术领域（p.1、11、13、58）. 发行单位：国科会科资中心，2004年10月：引用起止页2 葛林费雪班（Glenn Fishbine）著. 刘世平译. 纳米商机. 台湾培生教育出版（股）公司. 2003年3月:引用起止页
