ナノ回路
青写真から写真のパターン、チップへと進む従来の回路設計とは異なり、ナノ回路設計はおそらくチップから始まり(1024もの部品とワイヤの偶然的な混乱で常にうまくいくわけではない)徐々に有用なデバイスに刻んでいく。従来のトップダウンのアプローチを採用するのではなく、ボトムアップのアプローチをこれらナノ回路の大きさにより、おそらくすぐに採用する必要がある。ナノレベルにあるゆえおそらく回路内のすべてがうまくいくとは限らず、ナノ回路はそのコンパクトさから欠陥や不良が多くなる。科学者やエンジニアにより、トランジスタ、論理ゲート、ダイオードなど、ナノ回路に不可欠な要素はすべて作り出された。これらは、すべて有機分子、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ半導体から構成されている。残されたやるべきことは、そのような小型デバイスやナノ回路に付随するエラーを排除する方法を見つけることだけである。しかし、最終的にはナノ回路がどのくらい小さくなるかやコンピュータや電子機器の平衡速度への到達には限界がある。
ナノ回路を理解するための最も基本的な概念の1つは、ムーアの法則のformulationである。この概念はIntelの共同設立者であるゴードン・ムーアがトランジスタのコストに関心を持ち、1つのチップにより多くのトランジスタを収めようと考えた際に生じた。内容はシリコン集積回路上に製造することのできるトランジスタの数、つまり回路の計算能力は、18か月から24か月ごとに倍増しているというものである。回路に乗せるトランジスタの数が多いほど、コンピュータがより高い計算能力を有する。これが科学者とエンジニアがこれらのナノ回路を製造している理由であり、ますます多くのトランジスタがチップに収まるようになるであろう。このことは良いことのように聞こえるが、非常に多くのトランジスタを詰め込む際に生じる問題が多くある。回路が非常に小さい場合、大きな回路よりも多くの問題を抱える傾向にある。特に熱の問題があり、小さい表面積にわたる電力量により放熱が難しくなり、この過剰な熱がエラーを引き起こしチップを破壊するおそれがある。ナノスケールの回路は、今日使用している回路よりも温度変化、宇宙線、電磁干渉に敏感である。より多くのトランジスタがチップ上に詰め込まれると、チップ上の迷走信号などの現象、非常に多くの密集したデバイスからの熱放散の必要性、スケールが小さいゆえの絶縁障壁を越えてのトンネリング、製造の難しさが進歩を止めるもしくは著しく遅くする。
多くの人がナノ回路市場は2015年ごろに均衡状態になると考えている。現時点では製造施設のコストは2000億ドルにも達すると考えられている。回路をさらに小さくするためのコストが高すぎるという時期はどこかにあり、そこではコンピュータの速度は最大に達すると思われる。この理由から、ムーアの法則は主にマイクロリソグラフィエッチング技術の進歩により起こる計算能力の増加に大きく基づいているため、多くの科学者はムーアの法則は永遠に成立するものではなくすぐにピークに達すると考えている。
これらのナノ回路を製造する際には、それにまつわる多くの面がある。1つはトランジスタから始まる。現在、ほとんどの電子機器はシリコンベースのトランジスタを使用している。トランジスタは、電気の流れを制御し弱い電気信号を強い電気信号に変換する、回路に不可欠な要素である。電流を制御しそれをオンオフすることや信号を増幅することもできる。導電状態と非導電状態の間を簡単に切り替えることができるため、現在回路はトランジスタとしてシリコンを使用している。しかし、ナノエレクトロニクスにおいてはトランジスタは有機分子もしくはナノスケールの無機構造であることがある。トランジスタの一部である半導体もナノ状態の有機分子でできている。
2つ目は相互接続である。これには論理および数学演算と、これを可能とするトランジスタを結ぶワイヤが含まれる。