要点
複数の大学の研究者が協力し、画期的なトランジスターの開発に取り組んでいます。シリコンの代わりにグラフェンを用いて論理ゲートの回路を構築したところ、消費電力を抑えながら、現行のものより1,000倍速く動作する可能性があります。
再び注目を集めるグラフェン
2004年にグラフェンが発見されると、ほかの二次元材料を単離する研究が相次ぎました。グラフェンは、独自の優れた特性を数多く備えた驚異的な材料であることが分かりました。その一つが、電子機器で最も一般的に使われる導体である銅の10倍の電気伝導性です。また、室温ではシリコンの250倍の電気伝導性を示し、知られているどの物質よりも速く電気を伝えます。
こうした特性を受け、ノースウェスタン大学、テキサス大学ダラス校（UT Dallas）、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、セントラルフロリダ大学（UCF）の研究者チームは、グラフェンを使ったトランジスターの開発を検討しました。学術誌『Nature Communications』に掲載された研究で、グラフェン製のトランジスターは、今日のコンピューターで使われるシリコン製のトランジスターよりも実際に優れた性能を発揮する可能性があることを明らかにしました。
まず簡単に説明しましょう。トランジスターは現在のコンピューター回路の要であり、電子信号や電力を通したり遮断したりするスイッチとして働きます。複数のトランジスターを組み合わせると論理ゲートが形成されます。論理ゲートはマイクロプロセッサーの中核で、入力と出力を担い、0または1（いわゆる二進ビット）として動作します。これによってマイクロプロセッサーは論理演算や計算の問題を解けます。
「技術の進歩をさらに押し進めるには、気候科学や宇宙探査、ウォール街のために、より大規模で優れたシミュレーションを実行できる高速なコンピューターが必要です」と、共著者でUCFの助教、ライアン・ゲルファンド氏は、プレスリリースで述べました。「その実現に向けて、もはやシリコン製トランジスターに頼ることはできません。」
より優れた論理ゲート
シリコン製トランジスターを使ったマイクロプロセッサーの処理速度は、2005年以降、主に3～4ギガヘルツの範囲にとどまっています。こうしたトランジスターが処理できる信号速度と電力には限界があり、その主な原因は材料の電気抵抗です。しかし研究チームは、シリコンの代わりにグラフェンを使うことで、この限界を突破する方法を見つけました。
研究者たちはまず、カーボンナノチューブ（薄く折り畳まれたグラフェンシート）をほどいてグラフェンリボンを作りました。次にグラフェンリボンに磁場をかけたところ、リボンを流れる電流の抵抗を制御できることが分かりました。隣接するナノチューブを使って電流を増減させることで、磁場によって電流の流れを制御できました。
チームが開発したグラフェン製トランジスターを使う論理回路は、マイクロプロセッサーのクロック速度を1,000倍に高め、シリコン製コンピューターに必要な電力の100分の1で動作します。さらに、これらの回路はシリコン製トランジスターを使う論理回路よりも小型でした。ゲルファンド氏によると、これにより、より小さな電子機器に多くの機能を搭載できる可能性があります。同様の研究では、グラフェンを量子コンピューター向けのコンデンサーとして利用する可能性も検討されました。
共著者であるUT Dallasのジョセフ・S・フリードマン氏によれば、全炭素製のコンピューターシステムはまだ構想段階にあります。しかし、フリードマン氏とナノスピンコンピュート研究室の共同研究者たちは、現在プロトタイプの開発に取り組んでいます。
「炭素材料の優れた特性により、テラヘルツ動作が可能になり、最先端のマイクロプロセッサーと比べて電力遅延積を2桁低減できます」と、研究者たちは記しています。「このカスケード型論理回路の製造を促し、エネルギー効率に優れたコンピューティングの新時代を切り開きたいと考えています。」
