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当数字时代最终触及硅基计算机芯片的物理极限时，现代生活方式可能不需要抑制对更小、更快的智能手机和平板电脑的需求。斯坦福大学工程师的新研究可能刚刚通过展示如何用碳纳米管构建计算机而为硅找到了继任者。
这款178个晶体管的计算机仅能处理一位信息和一条指令，与基于数百万到数十亿个晶体管的32位或64位处理器的现代计算机相比，似乎微不足道。但斯坦福大学计算机对碳纳米管的使用——由碳原子片制成的空心圆柱结构——可能为未来许多运行速度更快、能耗更低的计算设备铺平道路。“这是一台简单的计算机，但它不是一次性的计算机，”斯坦福大学的电气工程师兼新论文的合著者苏巴西什·米特拉说，该论文详细刊登在9月25日出版的《自然》杂志上。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
更小、更快的电子设备长期以来依赖于工程师缩小硅晶体管尺寸的能力——硅晶体管是现代电子产品的基础，即微小的开/关开关——以便制造商可以将更多的晶体管封装到每个芯片上。英特尔公司的联合创始人戈登·摩尔在1965年预测，晶体管的密度大约每两年翻一番，从而实现电子技术的快速进步。
但硅晶体管越小，它们最终浪费的能量就越多，以热量的形式散发出去，导致最近出现了关于“摩尔定律”终结的预测。碳纳米管晶体管可以通过使电子产品在更小的尺寸下变得更快、更节能来维持这种进步，因为纳米管在打开或关闭时消耗的能量非常少。“我们预计碳纳米管晶体管可将功耗降低高达三倍，性能提高三倍——性能和功耗可以相互权衡，”IBM托马斯·J·沃森研究中心物理科学主管苏普拉蒂克·古哈解释道。
IBM和荷兰代尔夫特大学在1997年各自制造了第一个碳纳米管晶体管。IBM尤其希望为晶体管的最小特征尺寸从大约28纳米缩小到接近5纳米的那一天做好准备。（一纳米是十亿分之一米。）如此微小的晶体管可以为新型移动设备提供更好的性能和更长的电池寿命。“斯坦福大学的研究成果是一项杰出的研究，它表明可以使用碳纳米管电路制造通用计算机，”古哈说。“我们相信这是可以做到的——这是一个基本但清晰的演示。”
斯坦福大学的碳纳米管计算机的晶体管只有8微米（8000纳米）大小，这是因为学术实验室碳纳米管生长过程的限制。但由米特拉和黄汉松领导的斯坦福大学团队让古哈和其他研究人员感到兴奋，因为它开发了一种设计，该设计绕过了困扰研究人员试图生长碳纳米管的问题：以完美的平行线生长和排列它们。即使是最小比例的未对准纳米管也可能导致电子电路中的错误。米特拉解释说，虽然“我们的碳纳米管生长保证了99.5%的对齐率”，但“0.5%仍然是一个很大的数字，可能会扰乱计算机芯片中需要数百万或数十亿个纳米管的数字逻辑功能”。
第二个问题来自于少量碳纳米管，它们的行为就像始终导电的金属线，而不是可以打开和关闭的半导体。
斯坦福大学的工程师通过一种特殊的算法解决了对齐问题，该算法以一种确保即使纳米管未对准也能正常工作的方式在碳纳米管中蚀刻电路图案。该团队还通过关闭适当的半导体纳米管并通过金属纳米管导电以通过强烈的热量积聚来汽化后者，从而解决了金属导电问题。
斯坦福大学博士候选人兼《自然》论文的第一作者马克斯·舒拉克说，碳纳米管计算可能在未来10到15年内不会出现在实验室之外。但他指出，制造碳纳米管计算机的过程与当今硅基半导体行业的制造过程兼容——这一因素可能使其更容易实现工业规模的制造。“这项研究肯定回答了碳纳米管计算是否可以扩展到制造的重要问题，”舒拉克说。“它表明它确实是可扩展的。”