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半導體新製程: 奈米碳管 (CNTs)

活躍星系核_96
・2012/07/09 ・1722字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

carbon-nanotube-rendering

編譯 / judychang7777(從事半導體電路設計)

在持續不斷微小化的電子系統裡,能源效率是目前面臨的最大挑戰,而微小化就是主要推動半導體產業的驅動力。「當我們接近摩爾定律(Moore’s Law)的極限,矽製程在追求微小化的未來終究是要被取代」Jeffrey Bokor提到;他目前是勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)分子鑄造科學的副主任,及加州大學柏克萊分校教授。

目前為止,奈米碳管(CNTs)所採用的重要技術是以傳統的矽製程出發,並且很有機會來解決能源效率的挑戰。奈米碳管是以碳圓柱體奈米為架構,具有特殊的電學,熱學及力學特性。奈米管電路相較矽製程電路,能大大的提高10倍能源效率。

早期的期許

在1998年發表第一個簡陋的奈米電晶體,研究人員便夢想著將會有一個新時代來臨,一個具有高效能又超強運算能力的電子世界。但奈米管(nanotubes)的材質特性並不完美,這使得工程師們不禁懷疑奈米碳管是否能實現這一夢想。

在過去的幾年中,由 Subhasish Mitra教授和H.-S. Philip Wong帶領由史丹佛工程教授、博士生、碩士生、高中實習生組成的工程團隊,克服了挑戰,利用奈米碳管技術設計出最先進的運算電路和存儲元件,並且有許多電路設計上的突破。

研究人員花了十多年都無法解決頑劣脆弱的材料問題,這些困難障礙也嚴重阻礙了奈米管電路在電子工業中被廣泛採用。現在,這些高品質,強韌的奈米管電路已不受材料缺陷影響,這對超大型積體電路(VLSI)使用奈米管技術是很重要的里程碑。

「在十多年前,研究界首次驚嘆碳奈米管特殊的電學、熱學和力學特性。而史丹佛大學最近第一次發表可用碳奈米管完整呈現矽互補金屬氧化物半導體的電晶體的可行性」Larry Pileggi Tanoto 提到,他目前在卡內基·梅隆大學擔任電氣和計算機工程教授,及電路與系統解決方案中心主任。

主要的障礙

雖然多年來碳奈米管電路已有顯著成果,但電路大部分仍以單一奈米管來設計。在碳奈米管可普遍使用前,現在主要有兩個問題存在;第一個問題是要完全正確對準奈米管圖形的製程能力已證實幾乎達不到了,這會影響導線走線不正確導致電路錯誤;第二個問題是當奈米碳管的金屬導體特性出現(相反於原設計的奈米碳管半導體的特性)會造成電路短路,過度的電源漏電及互感雜訊產生。麻煩的是目前尚無專門的碳奈米管合成技術可設計出給半導體電路用的奈米管。

「未來,積體電路是以密度和能源效率為基礎,碳奈米管電晶體有很多令人著迷的原因。但是,在用化學製作上產生了獨特的挑戰,第一次化學製程要跟微電子結合,其中最主要的問題是在自己的位置精準度和其電氣特性的變異。史丹佛大學在電路設計時有考慮到此變異性,因此在正確方向上邁進重要一步」IBM Thomas J. Watso研究中心物理科學部門主任 Supratik Guha 說到。

「即使有重重困難在眼前, Wong和 Mitra依然能解決這些挑戰並且有很好的進展,這真的是一個非常有趣而且有創意的工作」,Bokor 補充說明。了解到再好的製造流程也無法解決這些缺陷問題時,史丹佛大學工程師們設法繞過障礙,採用了獨特的免疫缺陷(imperfection-immune )設計模式,產生有史以來第一次整片不受沒對準和錯誤定位碳奈米管影響的晶圓之數位邏輯結構(digital logic structures)。除此之外,他們還發明在電路裡移除金屬奈米碳管不良元件的技術。

顯著的特點

史丹佛大學的設計有兩個顯著特點-第一,它幾乎完全沒犧牲奈米碳管的能源效率;第二,它相容於現有矽製程方法和基礎設備,使得技術朝商品化邁出重要一步。「這項變革的研究實際上是很有前途的,它既可共存與現今主流矽製程技術,並且利用目前的製造和系統設計的基礎設施,提供技術商品化關鍵的可行性」目前任職於半導體研究公司的 Betsy Weitzman說的。

未來,工程師將展示奈米碳管可能發展的技術,設計出數位電路基本元件-算術運算電路和順序電路存儲元件,以及第一個幾乎完全整合的三維積體電路。史丹佛大學的研究最近受邀發表在 IEDM(International Electron Devices Meeting)及IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems的重點文章。

「許多研究人員認為完美碳奈米管製造必須使用昂貴的容錯技術。然而Mitra 和Wong有過人的洞察力,研發出不同的解決辦法。顯然他們使用廉價和實用的方法就大大改善了奈米碳管電路的強韌性,使得設計碳奈米管電路的可行性是一條可以走得久遠的路」 IEEE Transactions on CAD的主編Sachin S. Sapatnekar 說,「我預期這是一篇會引起讀者高度興趣的研究報告。」

資料來源:Engineers Perfecting Carbon Nanotubes for Highly Energy-Efficient Computing. ScienceDaily (June 14, 2012)

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
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