工程师用碳纳米管构建先进的微处理器

经过多年处理众多设计和制造挑战,麻省理工学院的研究人员已经用碳纳米管晶体管构建了一个现代微处理器,这种微处理器被广泛认为是比传统硅同类产品更快,更环保的替代品

经过多年处理众多设计和制造挑战,麻省理工学院的研究人员已经用碳纳米管晶体管构建了一个现代微处理器,这种微处理器被广泛认为是比传统硅同类产品更快,更环保的替代品。

的微处理器,今天在杂志中描述自然,可以使用传统的硅芯片制造工艺中,表示朝向作出重大步骤来构建碳纳米管的微处理器更加实用。

硅晶体管关键的微处理器组件在1到0位之间切换以进行计算 - 已经使计算机行业运行了数十年。正如摩尔定律所预测的那样,工业已经能够每隔几年缩小并将更多晶体管填充到芯片上,以帮助执行日益复杂的计算。但专家现在预见到硅晶体管将停止萎缩,并且变得越来越低效。

制造碳纳米管场效应晶体管(CNFET)已成为构建下一代计算机的主要目标。研究表明,与硅相比,CNFET具有能量效率约10倍且速度更快的特性。但是,当大规模制造时,晶体管通常会带来许多影响性能的缺陷,因此它们仍然不切实际。

麻省理工学院的研究人员利用传统硅芯片代工厂的工艺,发明了新技术,以显着限制缺陷,并在制造CNFET时实现全功能控制。他们演示了一个16位微处理器,其中包含14,000多个CNFET,可执行与商用微处理器相同的任务。Nature论文描述了微处理器的设计,包括70多页,详细介绍了制造方法。

微处理器基于RISC-V开源芯片架构,该架构具有微处理器可以执行的一组指令。研究人员的微处理器能够准确地执行全套指令。它还执行了经典“Hello,World!”的修改版本。程序,打印出来,“你好,世界!我是RV16XNano,由CNTs制造。”

“这是迄今为止最先进的芯片,由任何新兴的纳米技术制成,有望用于高性能和高能效计算,”共同作者Max M. Shulaker说道,Emanuel E Landsman职业发展助理教授电气工程和计算机科学(EECS)和微系统技术实验室的成员。“硅片有限制。如果我们想要继续在计算方面取得进步,碳纳米管代表了克服这些极限的最有希望的方法之一。[论文]完全重新发明了我们如何用碳纳米管制造芯片。”

加入Shulaker的论文是:第一作者和博士后Gage Hills,研究生Christian Lau,Andrew Wright,Mindy D. Bishop,Tathagata Srimani,Pritpal Kanhaiya,Rebecca Ho和Aya Amer,所有EECS; Arvind,约翰逊计算机科学与工程教授,计算机科学与人工智能实验室研究员; Anantha Chandrakasan,工程学院院长和Vannevar Bush电气工程和计算机科学教授; 所有ADI公司的Samuel Fuller,Yosi Stein和Denis Murphy。

打击CNFET的“祸根”

微处理器建立在Shulaker和其他研究人员六年前设计的前一次迭代的基础上,该迭代只有178个CNFET并运行在一位数据上。从那时起,Shulaker和他的麻省理工学院的同事们已经解决了生产设备的三个具体挑战:材料缺陷,制造缺陷和功能问题。Hills完成了大部分微处理器设计,而Lau处理了大部分制造。

麻省理工学院的工程师用碳纳米管场效应晶体管(如图)构建了一个现代微处理器,它被认为比硅晶体管更快,更环保。新方法使用与硅芯片相同的制造工艺。图片来源:麻省理工学院

多年来,碳纳米管固有的缺陷一直是“该领域的祸根”,舒拉克说。理想情况下,CNFET需要半导体特性以在关闭时切换其导电性,对应于位1和0.但是不可避免地,一小部分碳纳米管将是金属的,并且将减慢或阻止晶体管切换。为了对这些故障保持稳健,先进的电路将需要纯度约为99.999999%的碳纳米管,这在今天几乎不可能生产。

研究人员提出了一种名为DREAM(“设计弹性对抗金属CNT”的首字母缩写词)的技术,该技术以不会破坏计算的方式定位金属CNFET。在这样做时,他们将严格的纯度要求放宽了大约四个数量级 - 或10,000倍 - 这意味着他们只需要纯度约为99.99%的碳纳米管,这是目前可行的。

设计电路基本上需要一个连接到晶体管的不同逻辑门库,可以组合起来,比如创建加法器和乘法器,比如组合字母表中的字母来创建单词。研究人员意识到金属碳纳米管对这些门的不同配对产生了不同的影响。例如,门A中的单个金属碳纳米管可能破坏A和B之间的连接。但是门B中的几个金属碳纳米管可能不会影响其任何连接。

在芯片设计中,有许多方法可以在电路上实现代码。研究人员进行了模拟,发现了所有不同的浇口组合,这些浇口组合非常坚固,对任何金属碳纳米管都不具有鲁棒性。然后,他们定制了芯片设计程序,以自动学习最不可能受金属碳纳米管影响的组合。在设计新芯片时,该程序将仅使用强大的组合并忽略易受攻击的组合。

“梦想的双关语是非常有意义的,因为它是梦想的解决方案,”Shulaker说道。“这使我们可以购买现成的碳纳米管,将它们放到晶圆上,然后就像正常一样构建我们的电路,而不做任何事情别的特别。“

去角质和调整

CNFET制造开始于将碳纳米管在溶液中沉积到具有预先设计的晶体管架构的晶片上。然而,一些碳纳米管不可避免地随机粘在一起形成大束状的意大利细面条形成小球 - 在芯片上形成大的颗粒污染。

为了清除这种污染,研究人员创造了RINSE(用于“通过选择性去角质去除温育的纳米管”)。晶片用促进碳纳米管粘附的试剂预处理。然后,用某种聚合物涂覆晶片并浸入特殊溶剂中。这洗掉了聚合物,聚合物只带走了大束,而单个碳纳米管仍然粘在晶片上。与类似方法相比,该技术导致芯片上的颗粒密度减少约250倍。

最后,研究人员解决了CNFET的常见功能问题。二进制计算需要两种类型的晶体管:“N”型,以1位开启,0位开关,“P”型,相反。传统上,用碳纳米管制造这两种类型一直是具有挑战性的,通常产生性能不同的晶体管。对于这个解决方案,研究人员开发了一种名为MIXED的技术(用于“与静电掺杂交叉的金属界面工程”),该技术可精确调节晶体管的功能和优化。

在这种技术中,它们将某些金属附着在每个晶体管上 - 铂或钛 - 这使得它们能够将晶体管固定为P或N.然后,它们通过原子层沉积将CNFET涂覆在氧化物化合物中,这使它们能够调整晶体管的特性适用于特定应用。例如,服务器通常需要能够快速起作用但耗尽能量和功率的晶体管。另一方面,可穿戴设备和医疗植入物可能使用较慢的低功率晶体管。

主要目标是将芯片带入现实世界。为此,研究人员现已开始通过国防高级研究计划局的一项计划将其制造技术应用于硅芯片代工厂,该计划支持该研究。虽然没有人能说完全由碳纳米管制成的芯片什么时候会上架,但Shulaker说这可能不到五年。“我们认为这不再是一个问题,不管是什么时候,而是什么时候,”他说。

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