¿Se puede fabricar una CPU con componentes electrónicos dibujados a mano en papel?

Question

Recientemente he explorado mucha literatura sobre la electrónica basada en el papel, y un artículo en particular captó mi interés: "Handwritten Oxide Electronics on Paper" (DOI: 10.1002/admt.201700009) de Elvira Fortunato et al.

Explica un método para fabricar transistores (FET) en una hoja de papel estándar, utilizando una tinta a base de óxido de zinc (ZnO) (aplicada con un bolígrafo de caligrafía) como canal, el papel como capa dieléctrica y un revestimiento de plata como puerta, fuente y drenaje (serigrafiado).

Consiguen la construcción de un inversor, con 15 V como Vdd, una resistencia de 3,75 M, Vin = 12 V, Vout = 6 V.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

No es espectacular, pero dada la sencillez del método, me pregunto si esos transistores podrían utilizarse para fabricar puertas lógicas, un sumador y, eventualmente, una CPU completa (al menos un diseño de los años 70 con unos cuantos miles de transistores) de forma totalmente manual o, al menos, impresa. ¿Tal vez en hojas de papel enrolladas o apiladas?

El óxido de zinc sólo admite FET de tipo de mejora de canal n, lo que significa que la lógica utilizada para la construcción de puertas sería NMOS (con resistencias de pull-up algo grandes de mega-ohmios).

Eso es muy hipotético, y definitivamente no soy un experto en transistores. Pero si algún día pudiéramos hacer ordenadores biodegradables de papel, con ingredientes de cocina, sería interesante, ¿no?

Nota: En un artículo posterior logran una mayor eficiencia, pero utilizando IGZO (óxido de indio, galio y zinc) en su lugar, que es un estándar de la industria, pero mucho más difícil de hacer en casa.

El diseño específico que tenía en mente

Estoy considerando construir una CPU de papel basada en ese método de fabricación. Podría imprimir transistores (de aproximadamente 1 cm 2 ) en hojas, enrolladas para cada componente (o un montón de ellos), y luego unidas con alambre de cobre con las puntas dobladas en forma de clip.

En una caja de aproximadamente 1 metro cúbico, parecería un montón de pergaminos recortados.

Los condensadores podrían fabricarse utilizando el viejo diseño de papel + aceite + aluminio.
Las resistencias son sólo un patrón en zigzag usando un lápiz.

¿Funcionaría o me estoy perdiendo una dificultad mayor?

Sobre el tamaño

Hay quien dice que un diseño así sería enorme y, por tanto, imposible de transportar electricidad sin pérdidas fatales.

Parece, según las ilustraciones del artículo científico, que los transistores podrían hacerse de aproximadamente 1 cm 2 de tamaño (quizás menos si se imprime con una impresora de muy alta resolución).

Para un diseño de 2000 transistores, eso significaría 50 × 40 cm, lo que parece bastante aceptable.

Sobre la distribución de energía y la pérdida de señal

¿Los ordenadores grandes (del tamaño de una habitación) consumían mucha corriente? ¿Cómo se las arreglaban para transportar la corriente a largas distancias?

¿Hay alguna forma de evitar la pérdida de señal?

Answer 1

Si la ganancia de un solo inversor es inferior a la unidad, no será posible combinar un número significativo de puertas para construir un circuito mayor. Los niveles de la señal se agotarán.

Para ser viable, un circuito para construir la lógica necesita tener señales de salida que sean compatibles con la entrada de la siguiente puerta. A primera vista, su inversor tiene una oscilación de entrada de 0-12 V, pero una oscilación de salida de 6-15 V. La ganancia de voltaje es de 0,75, y también hay un offset importante.

He encontrado una copia del documento aquí . En él, proporcionan el siguiente gráfico de la tensión de entrada frente a la de salida. Resulta que su anotación de una tensión de salida-baja de 6 V es demasiado optimista - sólo llega a unos 7V, conseguidos cuando V _GS supera los 40 V. Incluso si la primera compuerta se acciona con la oscilación completa de 0 a 40 V, su salida sólo pasaría de 13 a 7 V. Si se intenta accionar una segunda compuerta con esta señal, ¡la salida de esa compuerta no se movería en absoluto!

Además, con las altísimas impedancias implicadas, la velocidad del reloj tendría que ser extremadamente lenta, probablemente del orden de unos pocos Hz. Lo que estaría bien para una demostración, pero no mucho más.

Answer 2

Con o sin transistores de papel, una CPU con transistores discretos puede tener un tamaño razonable.

El 15 de noviembre de 2006, en el 35º aniversario del 4004, Intel celebró publicando los esquemas del chip, los trabajos de máscara y el manual de 39] Se construyó una réplica a escala de 130× de 41 × 58 cm,[40] del de escala de 130× del Intel 4004 se construyó con transistores discretos y se expuso en 2006 en el Museo Intel de Santa Clara, California

Aunque no se hace con transistores de papel. Esa pantalla en particular ni siquiera se acerca a ocupar una habitación.

http://intel4004.com/current_intel_museum.htm

Tu mejor opción para fabricar los patrones de transistores de papel sería conseguir unas cuantas impresoras baratas de chorro de tinta en blanco y negro (ya sea con depósito o cartucho) y luego sustituir la tinta normal por tu nueva tinta. Cada impresora se utilizaría para un paso de fabricación diferente y tendría una tinta específica.

Desglosar el proceso de fabricación en un conjunto de pasos que impliquen la colocación de un patrón específico en un solo tipo de tinta por paso. Y luego pasar el papel por la impresora correspondiente con el patrón para ese paso.

Su único problema importante será alinear el papel entre cada paso. Eso se resuelve haciendo las características lo suficientemente grandes como para tener en cuenta las tolerancias de posición de las impresoras.

Para los trazos del circuito se puede utilizar cualquier cantidad de tintas conductoras disponibles en el mercado (normalmente rellenas de plata).

O haz el tuyo propio.

https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/how-to-brew-your-own-conductive-ink

Para manejar las rutas de cruce en el trazado puede utilizar cualquier tinta aislante e imprimir el aislante en los puntos donde desea cruzar otra traza.

Podría valer la pena llegar a hacer una capa entera de transistores imprimiendo una capa aislante de página completa (menos los puntos de conexión que van entre capas) y luego imprimir la siguiente capa justo encima de la tinta aislante. De esta manera se podrían obtener múltiples capas en una sola hoja de papel.

Answer 3

He ayudado a gente a construir proyectos para la feria de ciencias con circuitos de papel, y lo bueno era que el diagrama del circuito y el circuito eran uno en el mismo, así que todo el mundo podía entender lo que estaba pasando. Usábamos líneas de lápiz para las resistencias, y era agradable poder ajustar los valores de las resistencias sólo con lápices y gomas de borrar. También descubrimos que se puede comprar cinta de papel de aluminio con un adhesivo conductor, que proporciona una buena conexión de baja impedancia. Sin embargo, no intentamos hacer transistores desde cero. Mirando el artículo de Wikipedia "Field-effect transistor", parecía que construir un FET estaba lleno de dificultades. Acabamos incorporando transistores comerciales a los proyectos. También solía construir circuitos informáticos experimentales. El principal problema de los circuitos informáticos era el gran número de componentes necesarios. Se me ocurría lo que creía que era un diseño realmente sencillo, y acababa teniendo que interconectar cientos de componentes. Así que nunca intenté construir circuitos digitales en papel.