Инженеры MIT создают современные микропроцессоры из углеродных нанотрубок.
Новый подход использует те же производственные процессы, что и кремниевые чипы, и обеспечивает значительные успехи в разработке компьютеров следующего поколения.
После многих лет решения многих проблем в области разработки и производства исследователи MIT разработали современный микропроцессор на основе углеродных нанотрубок с транзисторами, который широко рассматривается как более быстрая и экологичная альтернатива их традиционным кремниевым аналогам.
Микропроцессор, описанный сегодня в журнале Nature, может быть изготовлен с использованием обычных технологий изготовления кремниевых чипов и представляет собой важный шаг в направлении более практического применения микропроцессоров с углеродными нанотрубками.
Кремниевые транзисторы - критически важные компоненты микропроцессоров, которые переключаются между 1 и 0 битами для выполнения вычислений - были внедрены в компьютерной индустрии на протяжении десятилетий. Согласно закону Мура, каждые несколько лет отрасль может уменьшать размер транзисторов и размещать больше микросхем для выполнения все более сложных вычислений. Но эксперты предсказывают время, когда кремниевые транзисторы больше не будут сжиматься и станут все более и более неэффективными.
Изготовление полевых транзисторов с углеродными нанотрубками (CNFET) стало важной целью при создании компьютеров следующего поколения. Исследования показывают, что CNFET обладают свойствами, которые обещают 10-кратную энергоэффективность и намного более высокие скорости по сравнению с кремнием. Но если транзисторы выполнены в небольшом масштабе, они часто имеют много недостатков, которые влияют на производительность, поэтому они не практичны.
Крупный план современного микропроцессора, состоящего из полевых транзисторов из углеродных нанотрубок. Благодарности - Изображение: Феличе Франкель, Массачусетский технологический институт
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новые методы, позволяющие значительно сократить количество дефектов и обеспечить полный контроль над функцией производства CNFET с использованием процессов в традиционных литейных производствах с кремниевыми чипами. Они продемонстрировали 16-битный микропроцессор с более чем CNNET 14.000, который выполняет те же задачи, что и коммерческие микропроцессоры. The Nature Paper описывает дизайн микропроцессора и включает в себя более 70 страниц, описывающих способ производства.
Микропроцессор основан на архитектуре микросхемы с открытым исходным кодом RISC-V, которая содержит серию инструкций, которые может выполнять микропроцессор. Микропроцессор исследователей смог точно выполнить весь набор команд. Доработанная версия классической программы «Hello, World!», Распечатанная «Hello, World!». Я RV16XNano, сделанный из CNT ».
«Это, безусловно, самый продвинутый чип из молодой нанотехнологии, который открывает большие перспективы для высокопроизводительных и энергоэффективных вычислений», - говорит соавтор Макс М. Шулакер, доцент кафедры электротехники и информатики (EECS) Эмануэля Э. Ландсмана и Член лабораторий Microsystems Technology Laboratories. «У кремния есть пределы. Если мы и дальше будем совершенствоваться в вычислительной технике, углеродные нанотрубки представляют собой один из самых многообещающих способов преодолеть эти ограничения.
Вместе с Шулакером над проектом работают следующие люди: первый автор и постдок Гэйдж Хиллс, аспиранты Кристиан Лау, Эндрю Райт, Минди Д. Бишоп, Татхагата Шримани, Притпал Канхайя, Ребекка Хо и Ая Амер, все из EECS; Арвинд, профессор компьютерных наук и инженерии Джонсон, научный сотрудник лаборатории информатики и искусственного интеллекта; Ананта Чандракасан, декан инженерной школы и Ванневар Буш, профессор электротехники и компьютерных наук; и Сэмюэль Фуллер, Йоси Стейн и Денис Мерфи, все аналоговые устройства.
Инженеры MIT построили современный микропроцессор из полевых транзисторов из углеродных нанотрубок (на фото), которые считаются более быстрыми и экологически безопасными, чем кремниевые транзисторы. Новый подход использует те же производственные процессы, что и для кремниевых чипов. Благодарности - Изображение: Феличе Франкель, Массачусетский технологический институт
Борьба с «проклятием» CNFET
Микропроцессор основан на более ранней модели, разработанной Shulaker и другими исследователями шесть лет назад, которая имела только CNNET 178 и работала с одним битом данных. С тех пор Шулакер и его коллеги из Массачусетского технологического института решили три специфические проблемы в производстве устройств: дефекты материалов, производственные дефекты и функциональные проблемы. Хиллс взял на себя большую часть дизайна микропроцессора, а Лау взял на себя большую часть производства.
По словам Шулакера, на протяжении многих лет недостаток, присущий углеродным нанотрубкам, был «проклятием поля». В идеале, CNFET должны иметь полупроводниковые свойства, чтобы включать и выключать их проводимость в соответствии с битами 1 и 0, но неизбежно небольшая часть углеродных нанотрубок будет металлической и будет замедлять или останавливать транзистор. Чтобы быть устойчивыми к этим сбоям, современные схемы требуют углеродных нанотрубок с чистотой около 99,999999 процентов, что сегодня практически невозможно произвести.
Исследователи разработали метод под названием DREAM (аббревиатура от «Design Resiliency against Metallic CNTs»), который позиционирует металлические CNFET таким образом, чтобы они не мешали обработке данных. При этом они ослабили эти строгие требования к чистоте примерно на четыре порядка - или в 10.000 99,99 раз - что означает, что им нужны только углеродные нанотрубки с чистотой около XNUMX процента, что в настоящее время возможно.
Проектирование схем в основном требует выбора различных логических вентилей, подключенных к транзисторам, которые можно комбинировать для создания, например, сумматоров и умножителей - например, комбинирования букв в алфавите для создания слов. Исследователи обнаружили, что металлические углеродные нанотрубки по-разному влияют на разные пары этих ворот. Например, одиночная металлическая углеродная нанотрубка в затворе A может разорвать связь между A и B. Однако несколько металлических углеродных нанотрубок в затворе B не могут мешать ни одному из своих соединений.
В дизайне чипа есть много способов реализовать код на схеме. Исследователи выполнили моделирование, чтобы найти все различные комбинации ворот, которые являются жесткими и устойчивыми к металлическим углеродным нанотрубкам. Затем они адаптировали программу проектирования микросхем для автоматического определения комбинаций, на которые меньше всего влияют металлические углеродные нанотрубки. При разработке нового чипа программа использует только надежные комбинации и игнорирует уязвимые комбинации.
«Игра в слова« сновидения »является полностью преднамеренной, потому что это решение во сне», - говорит Шулакер. «Это позволяет нам покупать углеродные нанотрубки с полки, бросать их на пластину и просто настраивать нашу схему, как обычно, не делая ничего другого».
Пилинг и тюнинг
Производство CNFET начинается с нанесения углеродных нанотрубок на пластину с предварительно изготовленной архитектурой транзисторов. Однако некоторые углеродные нанотрубки неизбежно случайным образом слипаются, образуя большие стопки - похожие на нити спагетти, сформированные в маленькие сферы, - которые создают загрязнение крупными частицами на чипе.
Чтобы искоренить это загрязнение, исследователи создали RINSE («Удаление инкубированных нанотрубок путем селективного отшелушивания»). Пластина предварительно обрабатывается препаратом, который способствует адгезии углеродных нанотрубок. Затем пластина покрывается специальным полимером и погружается в специальный растворитель. Это смывает полимер, который уносит только большие пучки, в то время как отдельные углеродные нанотрубки прилипают к пластине. Этот метод приводит к примерно 250-кратному снижению плотности частиц на чипе по сравнению с аналогичными методами.
Наконец, исследователи рассмотрели общие функциональные проблемы CNFET. Для двоичных вычислений требуются два типа транзисторов: типы «N», которые включаются с битом 1 и выключаются с битом 0, и типы «P», которые имеют противоположный эффект. Традиционно было трудно изготовить два типа из углеродных нанотрубок, что часто приводило к созданию транзисторов с разными уровнями производительности. Для этого решения исследователи разработали метод под названием MIXED (от «Metal Interface Engineering, скрещенный с электростатическим легированием»), который точно настраивает транзисторы для работы и оптимизации.
В этом методе они связывают определенные металлы с каждым транзистором - платину или титан, - что позволяет им фиксировать этот транзистор как P или N. Затем они покрывают CNFET оксидным соединением путем осаждения атомного слоя, что позволяет им настраивать свойства транзисторов для конкретных приложений. Например, серверам часто требуются транзисторы, которые работают очень быстро, но в то же время несут энергию и производительность. С другой стороны, носимые устройства и медицинские имплантаты могут использовать более медленные маломощные транзисторы.
Основная цель - вывести фишки в реальный мир. С этой целью исследователи начали внедрять свои производственные технологии на литейном производстве кремниевых чипов в рамках программы Министерства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, которое поддерживает исследования. Хотя никто не может сказать, когда чипы, полностью сделанные из углеродных нанотрубок, появятся на полках, Шулакер говорит, что это может занять меньше пяти лет. «Мы думаем, что дело не в том, если, а в том, когда», - говорит он.
Работу также поддержали Analog Devices, Национальный научный фонд и Исследовательская лаборатория ВВС.
Артикул: MIT / ISE, изображение: Феличе Франкель, MIT
