数字电路实验

中国科技网讯 据物理学家组织网6月15日（北京时间）报道，最近，美国斯坦福和南加州大学工程师开发出一种设计碳纳米管线路的新方法，首次能生产出一种以碳纳米管为基础的全晶片数字电路，即使在许多纳米管发生扭曲偏向的情况下，整个线路仍能工作。 碳纳米管（CNTs）超越了传统的硅技术，在能效方面有望比硅基线路提高10倍。第一个初级纳米管晶体管诞生于1998年，人们期望这将开启一个高能效、先进计算设备新时代，但受制于碳纳米管本身固有的缺点，这一愿景一直未能实现。 “作为未来的密集型高能效集成电路，碳纳米晶体管极具吸引力。然而当人们想把它们用在微电子领域时，却遭遇到巨大的障碍。最主要的就是它们的位置和电属性的变化。”IBM托马斯·瓦特森研究中心物理科学部主管苏布拉迪克·高华说。 在碳纳米管能变成一种有现实影响力的技术之前，至少还要克服两大障碍：第一，研究已证明，要造出具有“完美”直线型的纳米管是不可能的，而扭曲错位的纳米管会导致线路出错，以致功能紊乱；第二，迄今还没有一种技术能生产出完全一致的半导体纳米管，如果线路中出现了金属碳纳米管，会导致短路、漏电、脆弱易受干扰。 针对这两大难题，研究人员设计了一种独特的“缺陷-免疫”模式，生产出第一个全晶片级的数字逻辑装置，能不受碳纳米管线向错误和位置错误的影响。此外，他们还发明了一种能从线路中清除那些不必要元素的方法，从而解决了金属碳纳米管的问题。他们的设计方法有两个突出特点，首先是没有牺牲碳纳米管能效，其次还能与现有的制造方法和设施兼容，很容易实现商业化应用。 他们的研究最近还被作为国际电子设备大会（IEDM）的邀请论文，以及美国电器与电子工程师协会（IEEE）会报集成线路与系统计算机辅助设计方面的“主题论文”。 下一步，研究人员将尝试造出数字集成系统的基本组件：计算线路与序列存储，以及首个高度一体化的整体三维集成电路。（记者 常丽君） 总编辑圈点 在表兄弟石墨烯“出生”之前，碳纳米管一直是纳米材料界最炙手可热的宠儿。它在力学、导电、传热等方面独特而优异的性能，让科学家们对它充满各种奇思妙想，甚至认为它是制备科幻小说里“太空电梯”的理想材料。相比较那些仅停留在理论上的用途，碳纳米管在集成电路上的使用无疑要现实可行得多。如今，科学家们突破了碳纳米管在微电子领域应用的瓶颈，恐怕摩尔大叔是最欣慰的人之一——摩尔定律神奇的魔力还将会持续下去。 《科技日报》（2012-06-16 一版）

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可植入人体作为生物计算机来诊断疾病、管理药物 中国科技网讯 忘掉智能手机吧，智能手臂不是更酷么？有朝一日，能够进行简单运算的人体细胞会被植入你的体内，作为生物计算机来为你诊断疾病、管理药物或是搭建生物电子界面等。 瑞士联邦理工学院的马丁·富塞内格尔及其同事就朝这个梦想迈进了一大步。据《新科学家》网站6月6日报道，瑞士科研人员在两套胚胎肾细胞内，制成了两种关键的生物数字电路：半加器和半减器，它们能分别加上或减去两个二进制数。这是迄今为止制成的最复杂的生物电路，有望成为构建更先进电路的基石。相关研究报告发表在近期出版的《自然》杂志上。 富塞内格尔表示，虽然此前就曾开发过能进行简单计算的生物电路，但其多数由DNA分子或是细菌制成，很难被植入人类体内。为了使生物电路与基因疗法或细胞疗法等治疗途径挂钩，就需要在哺乳动物的细胞内建立这种电路。 普通电子计算机利用电子的存在或不存在代表1和0对信息进行编码，富塞内格尔等人则使用了细胞内自然生成的红霉素、抗生素和根皮素分子。它们能发挥输入的作用，在细胞内关闭或是开启相关反应。这一反应将导致红色或绿色荧光蛋白的生成，也标志着计算结果的产生。例如，在半加器所处的细胞内，两种分子同时存在将使其发出红光。这些反应的发生不会干扰细胞的一般功能，却允许它们在继续充当正常细胞的同时，也能“说”计算机的二进制语言。 细胞计算机却比电子计算机更加灵活，因为负责输入的分子和负责输出的蛋白都可被其他生物信号所取代，而传统的计算机只能局限于电子一种信号。这意味着生物计算机能够将由感染中获取的信号设置为输入功能，在输出时则能提供一种适当的治疗方法。此外，红色和绿色荧光蛋白等视觉信号也能发挥类似的作用，在致病因子出现时，皮肤就会发出红光。 植入人体内的细胞计算机甚至可与电子计算机直接进行交流，由于二者具有同样的逻辑，科学家希望电子计算机能和细胞更好地开展对话。事实上，研究团队已经进入了下一个阶段，其能够将决策性的逻辑编码进细胞，而不仅仅是生成一种反应。 然而，英国曼彻斯特城市大学的马廷·阿莫斯表示，由于一个细胞的输出功能并不能作为另一个细胞的输入功能，这一新途径是否能扩展至更大的计算电路仍待考证。科研人员面临的下一步挑战是如何更好地设计这些设备，以便其内部能够进行良好沟通。（张巍巍） 《科技日报》（2012-06-08 二版）