Stikkordarkiv: nanoelektronikk

Nanoelektronikk – kraftfullt småtteri

Yngvar berg

Informatikken verden fortsetter, og i denne ukas forelesning dro professor Yngvar Berg historien fra Abakus, via dagens datamaskiners kraftfulle eksistens, til Ray Kurzweils spekulasjoner om at verden overtas av maskiner allerede før vi skriver år 2100.

I sentrum av Yngvars historie  står nanoelektronikken, og her er et lite resymé av foredraget «Kan nanoelektronikk løse ALLE problemer?»

Nanoelektronikk

Datamaskinens minste komponenter  lages i grunnstoffet silisium, og størrelsen på et silisiumatom er omlag 0.11 nanometer. Det går 9-10 silisiumatomer på en nanometer. Transistoren, eller enheten i en datamaskin som kan veksle mellom strøm og ikke strøm (0 og 1), bygges på silisiumplater. I dag lages det transistorer med en størrelse ned i mot 15 nanometer.  Fortsetter utviklingen som forventet vil det om kort tid være flere transistorer på en 1 x 1 centimeter silisiumplate enn antall celler vi har i hjernen. Det er mer enn 10 milliarder celler i hjernen.

Med dagens produksjonsmetoder er det en grense for hvor små transistorene kan bli, og grensen ligger et sted mellom dagens størrelse og størrelsen på et silisiumatom. Denne grensen vil trolig bli nådd i løpet av 5-6 år (2016!). Transistorene kan altså ikke bli mindre med dagens produksjonsteknologi.

Elektronikk med komponenter under 100 nanometer kalles nanoelektronikk. Før i tiden (for to-tre år siden), da ting var ca. 1000 ganger større enn i dag, brukte vi begrepet mikroelektronikk.

Hvor liten er en nanometer?

Forholdet mellom jordas diameter og diameteren på et kronestykke er omtrent som forholdet mellom en meter og en nanometer! Jordas  diameter er gjennomsnittlig 12742,02 kilometer.

Neglene våre vokser 3 millimeter i løpet av en måned. Det betyr at neglene vokser ca. én nanometer i løpet av et sekund!

Moore´s lov

Den første integrerte kretsen ble laget i 1958, og Intel kom med den første mikroprosessoren i 1971. Siden dengang har mikroprosessoren doblet sin kapasitet hver 18-24de måned, og det er denne utviklingen som kalles Moore´s lov etter Gordon E. Moore – en av grunnleggerne av Intel. Moores spekulasjoner rundt 1970 om hvordan mikroprosessoren ville utvikle seg har vist seg å stemme helt frem til i dag, og som nevnt over vil denne utviklingen ganske sikkert fortsette i 5-6 år til.  Da når man altså grensen for hva dagens metoder og teknologi kan klare, men hva kommer etter nanoelektronikken? Noe som er enda mindre og enda kraftigere – picoelektronikk! (En picometer er 1/1000-dels nanometer.)

Veien videre!

Det å spå om fremtiden er vanskelig, og denne lille historien viser at det er mulig å bomme ganske kraftig. Sir William Preece, som var sjefsingeniør i British Post Office uttalte følgende i 1878: «The Americans have need of the telephone, but we do not. We have plenty of message boys.» De fleste som bommer er for konservative, men en person som definitivt ikke er konservativ er Ray Kurzweil.

Kurzweil har over flere år kommet med en rekke spekulasjoner, spådommer og påstander om fremtiden. Tidlig på 1990-tallet beskrev han hva som var mulig i 2010 og han traff ganske godt, f.eks. at PCer kunne hente informasjon trådløst via Internett og at datamaskinen ville «forsvinne» inn i gjenstander. Dette er opplagt i dag, men var på ingen måte like opplagt for 20 år siden. Men Kurzweil har spekulert videre, og han er så freidig at han sier at verden vil bli overtatt av maskiner før det har gått 100 år. Er det mulig å tro på dette? Ønsker vi dette?

Mennesket levealder har økt og øker. Det sies at stabil tilgang på mat økte den gjennomsnittlige levealderen for oss (i den vestlige verden) fra 40 til 60 år, ny medisiner og høyteknologiske kirurgiske inngrep har økt den gjennomsnittlige levealderen fra 60 til over 80 år, og nå begynner vi å produsere reservedeler som kanskje vil øke den gjennomsnittlige levealder til 100 år eller mer. Vi har for lengst begynt å plassere elektronikk i kroppen (f.eks. pacemakere), og vi vil se en utvikling der vi kan bytte ut stadig mer vitale deler av kroppen. Hvor går grensen? Når er vi ikke lenger et menneske, men en maskin? Hva er da levealder? Hva er vi? Trenger vi mat?

….og slik kan vi fortsette å stille store, små, interessante, morsomme og skremmende spørsmål?

Kraftfullt småtteri

Forholdet mellom jordas diameter og diameteren på et kronestykke er omtrent som forholdet mellom en meter og en nanometer. Jordas  diameter er gjennomsnittlig 12742,02 kilometer.

Neglene våre vokser 3 millimeter i løpet av en måned. Det betyr at neglene vokser ca. én nanometer i løpet av et sekund.

Datamaskinens minste komponenter lages i grunnstoffet silisium og størrelsen på et silisiumatom er omlag 0.11 nanometer. Det går 9-10 silisiumatomer på en nanometer. Transistoren, eller enheten i en datamaskin som kan veksle mellom strøm og ikke strøm (0 og 1), bygges på silisiumplater. I dag lages det transistorer med en størrelse på ned i mot 30 nanometer.  Fortsetter utviklingen som forventet vil det om kort tid være flere transistorer på en 1 x 1 centimeter silisiumplate enn antall celler vi har i hjernen. Det er mer enn 10 milliarder celler i hjernen.

Med dagens produksjonsmetoder er det en grense for hvor små transistorene kan bli, og grensen ligger et sted mellom dagens størrelse og størrelsen på et silisiumatom. Og, i New York Times i går kunne vi lese «Advances Offer Path to Shrink Computer Chips Again».

Satt sammen på riktig måte gir disse små komponentene en enhet (CPU) i en datamaskin. Denne enheten kan utføre et hemningsløst antall regneoperasjoner i løpet av kort tid.

Kraftfullt småtteri!

Nanoelektronikk og Forskningsrådet

For et par dager siden hadde jeg en artikkel på denne bloggen om nanoelektronikk og industriutvikling. Jeg ble ikke helt ferdig med saken!

I dokumentet ”Verktøy for forskning – Nasjonal strategi for forskningsinfrastruktur (2008 – 2017)” utarbeidet av Norges Forskningsråd finnes planer både for IKT og nanoteknologi. Interessant nok påpekes det (s.25) at ”Tung forskningsinfrastruktur er ikke like viktig på alle områder innen IKT, men to områder er sentrale: eInfrastruktur …. og den hardwareorienterte forskningen på nye komponenter og materialer”. Den siste området sorterer under betegnelsen nanoteknologi.

Som bakgrunn for den store norske satsingen på nanoteknologi anføres videre i strategiplanen: ”Sensor og aktuatorfunksjoner integreres i stadig større grad inn i elektronikken. Våre omgivelser instrumenteres, et teknologisprang skjer i hele vår instrumenteringsindustri og gamle næringer må levere smarte produkter, for eksempel smarte klær og smarte bildeler.” Dette er riktig, men problemet er at Norge (og Norges forskningsråd) i liten grad satser på dette. Norge satser stort på utvikling av nanoteknologi (herunder sensorer og aktuatorer) , mens satsingen på nanoelektronikk (integrerte løsninger hvor sensorer integreres med elektronikken) er svært beskjeden!

Er dette klokt, når det i løpet av de siste årene er skapt en rekke verdensledende nanoelektronikkbedrifter i Norge (Nordic Semiconductor, Chipcon (nå Texas Instruments),  Aptina, Energy Micro, Atmel,….) og flere er på vei? Potensialet for verdiskaping er stort, se EU store satsing på nanoelektronikk over et bredt spekter av anvendelsesområder.

Takk til professor Tor Sverre Lande (Bassen) for bidrag til denne artikkelen.

Nanoelektronikk og industriutvikling

I juli 2009 ble det på verdensbasis produsert ca. 11.8 millioner ”wafers” eller silisiumskiver i måneden til framstilling av nanoelektronikk kretser. Dette er et voldsomt høyt tall og når vi tar med at 2009 var et svakt år for denne industrien (på grunn av finanskrisen) må vi anta at den gjennomsnittlige produksjon av silisiumskiver for fremstillling av nanoelektronikk er betydelig høyere enn dette.  Norge er i denne sammenheng en stor aktør, men primært som råvareleverandør. Anslagsvis 25% av råstoffet (silisium) produseres i Norge.  Den historiske årsaken til at Norge er en storprodusent av dette råstoffet har vært tilgangen på billig (subsidiert) kraft.

Nanoelektronikk

Utvikling av systemer med nanoelektronikk starter med at det konstrueres spesielle mønstre på silisiumskiver. Disse skivene deles opp i et antall chip´er (integrerte kretser) på størrelser opp til en fingernegl. Slike chip´er utgjør ”hjernen” i datamaskiner, og de dukker opp i stadig nye sammenhenger. Mobiltelefonen får stadig mer avanserte chip´er, bilene vår har et stort antall chip´er som styrer viktige funksjoner i moderne bilder, og stadig flere dingser i livene våre, hjemme og på jobb, styres av elektroniske chip´er. Mønstrene på disse chip´ene har komponenter på noen titalls nanometer og elektronikken på disse skrivene samles gjerne under betegnelser nanoelektronikk. (Nanoelektronikk må ikke forveksles med nanoteknologi, som er manipulering av materialer på atom- og molykylnivå. Videre er 1 nanometer = 0.000000001 meter, eller sagt på en annen måte: forholdet mellom en meter og en nanometer er omtrent som forholdet mellom  diameteren på jorda og diameteren på et kronestykke!)

Avansert industri i Norge

Norge har flere bedrifter som markerer seg på den internasjonale arena. I dag er det mulig å kjøpe joggesko med innebygd oppvarming styrt med en trådløs forbindelse. Kortholdsradioen i joggeskoen er konstruert av den norske bedriften Nordic Semiconductor i Trondheim – en bedrift som er verdensledende på kortholdsradioer. Den lille silisiumbiten med mønster er konstruert hos Nordic Semiconductor, men masseproduseres i Asia. (Det produseres 10 slike radioer i sekundet, døgnet rundt!)

Chipcon (nå en del Texas Instruments) lager også kortholdsradioer (ZigBee), mens Aptina (tidligere Photobit) mest sannsynlig har konstruert silisiumbiten som brukes i kameraet i din mobiltelefon. Nye bedrifter som konstruerer nanoelektronikk dukker stadig opp. Energy Micro er en ny spennende bedrift for batterigjerrige prosessorer. Novelda er en ny bedrift sprunget ut av forskningsmiljøet på Institutt for Informatikk ved Universitetet i Oslo. Novelda konstruerer kortholdsradar til bruk innen flere anvendelsesområder.

Kunnskapsbasert industriutvikling

Konstruksjon av systemer basert på nanoelektronikk er kunnskapskrevende.  Kretskonstruktører må beherske fundamental og omfattende innsikt i moderne teknologi. Videre må de ha forståelse som strekker seg fra fundamentale elektriske egenskaper i kretser til konstruksjon av kompliserte systemer på linje med infrastrukturen i en storby. Verken subsidiert energi eller naturressurser (silisium er det nest mest forekommende stoffet på jorda) er tilstrekkelig for å lykkes i den internasjonal konkurransen. Vi trenger mennesker med kreativitet og innovasjonskraft utdannet i forskningsmiljøer som deltar i den internasjonale forskningsfronten. I Norge har vi slike miljøer i Trondheim og i Oslo – miljøer vi må dyrke for å videreutvikle den avanserte og verdiskapende nanoelektronikkindustrien i Norge.

Nanoelektronikk og EU

I EU satses det tungt og langsiktig på anvendelser av nanoelektronikk. ”ENIAC joint undertaking” er en 10-års satsing innen nanoelektronikkforskning.  For å illustrere bredden i dette gjengir jeg her overskriften på underprogrammene (SP) i ENIAC:

  • SP1 – Nanoelectronics for Health & Wellness
  • SP2 – Nanoelectronics for Transport & Mobility
  • SP3 – Nanoelectronics for Security & Safety
  • SP4 – Nanoelectronics for Energy & Environment
  • SP5 – Nanoelectronics for Communication
  • SP6 – Nanoelectronics for E-Society
  • SP7 – Design Methods & Tools for Nanoelectronics
  • SP8 – Equipment & Materials for Nanoelectronics

I motsetning til EU og land det er naturlig å sammenligne oss med er satsingen på nanoelektronikk i Norge (og hos Norges forskningsråd) relativt beskjeden, noen vil si at den er nesten fraværende! Er dette riktig?

Fremtiden – et lite regnestykke

Norge produserer 25% av verdens silisium som går til produksjon av chip´er (integrerte kretser). Dette betyr at anslagsvis 35 millioner silisiumsskiver lages av norsk silisium. Dersom vi antar at en silisiumskive gir 2000 brukbare silisiumsbiter (chip´er) og at disse omsettes for én dollar ($1), blir brikkeverdien av norsk produsert silisium omtrent $70 milliarder dollar eller 450 milliarder kroner.  Kanskje noe å tenke på etter oljealderen…..

Takk til  professor Tor Sverre Lande (Bassen) for viktige bidrag til denne artikkel.