После нескольких лет борьбы с многочисленными проектных и производственных задач, исследователи Массачусетского технологического института создали современный микропроцессор из транзисторов нанотрубки углерода, который широко рассматривается как быстрее, зеленее альтернатива своих традиционных кремниевых.
Микропроцессор, описанный сегодня в журнале Nature, может быть построена с использованием традиционных кремниевых кристаллах производственных процессов, представляя собой крупный шаг в сторону, что делает микропроцессоры из углеродных нанотрубок и более практичным.
Кремниевые транзисторы — критические компоненты процессора, что переключение между 1 и 0 бит для выполнения вычислений — несли компьютерной индустрии на протяжении десятилетий. Как предсказывает закон Мура, отрасли удалось сократить и впихнуть больше транзисторов на фишки каждые пару лет, чтобы помочь проводить более сложные вычисления. Но сейчас эксперты предвидят время, когда кремниевые транзисторы перестанут сокращается, и становиться все более неэффективной.
Делая полевого эффекта углеродных нанотрубок-транзисторов (CNFET) становится важнейшей задачей для создания следующего поколения компьютеров. Исследования показывают CNFETs имеют свойства, которые обещают по 10 раз на энергоэффективность и гораздо большей скоростью по сравнению с кремнием. Но когда производство в широких масштабах, транзисторам часто приходят с большим количеством дефектов, которые влияют на производительность, поэтому они остаются невыполнимыми.
Исследователи Массачусетского технологического института изобрели новую технику, чтобы резко ограничить дефекты и включить полный функциональный контроль в изготовлении CNFETs, используя процессы в традиционный кремниевый чип литейного производства. Они показали 16-разрядный микропроцессор с более чем 14000 CNFETs, который выполняет те же задачи, что коммерческие микропроцессоры. Природа описаны конструкция микропроцессора и включает в себя более 70 страниц с подробным описанием методики изготовления.
Микропроцессор на основе архитектуры RISC-V с открытым исходным кодом архитектуры чипа, который имеет набор инструкций, которые микропроцессор может выполнить. Микропроцессор исследователей был способен выполнять полный набор точно инструкции. Она также выполнена модифицированная версия классической “Здравствуй, Мир!” программа, распечатка, “Здравствуй, Мир! Я RV16XNano, изготовленные из УНТ”.
“Это, безусловно, самый продвинутый чип изготовленные из развивающихся нанотехнологий, перспективной для высокопроизводительных и энергоэффективных вычислений”, — говорит соавтор Макс М. Shulaker, Эмануэль е Ланцман развития карьеры, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук (ЕЭКУ) и членом микросистемной техники лабораторий. “Есть предел для кремния. Если мы хотим и впредь иметь успехи в вычислительной, углеродные нанотрубки являются одним из наиболее перспективных путей преодоления этих пределов. [Бумага] полностью заново изобретает, как мы строим фишки с углеродными нанотрубками.”
Присоединение Shulaker на бумаге: первый автор и постдок Гейдж холмы, аспирантов Кристиан Лау, Эндрю Райт, Минди Д. Владыка, Татхагата Srimani, Pritpal Мохан, Ребекка Хо, и ая амеры, все ЕЭКУ; Арвинд, Джонсон профессор компьютерных наук и инженерии и исследователь в области компьютерных наук и лаборатории искусственного интеллекта; Ананда Chandrakasan, декан Школы технических и Ванневар Буш профессор электротехники и компьютерных наук; и Сэмюэл Фуллер, Йоси Штейн, и Денис Мерфи, все аналоговые устройства.
Бои в “бане” из CNFETs
Микропроцессор построен на предыдущей итерации, разработанный Shulaker и других исследователей, шесть лет назад, что было только 178 CNFETs и побежал на один бит данных. С тех пор, Shulaker и его коллеги из MIT уже решить три конкретные проблемы в производстве приборов: дефекты материалов, производственные дефекты, и функциональные проблемы. Холмы основная часть конструкции микропроцессора, в то время как Лау обработал большую часть производства.
В течение многих лет, дефектов, присущих углеродные нанотрубки были “проклятием поле” Shulaker говорит. В идеале, CNFETs нужно полупроводниковыми свойствами для переключения проводимости в выходной, соответствующие биты 1 и 0. Но неизбежно, небольшая часть нанотрубки будет металлической, и замедлить или остановить транзистор с коммутацией. Чтобы быть надежной, чтобы эти неудачи, усовершенствованных схем нужно углеродных нанотрубок в 99.999999% — ной чистоты, что практически невозможно произвести сегодня.
Исследователи придумали метод, под названием «Dream» (акроним для “проектирование защиты от металлических УНТ”), которая позиционирует металлический CNFETs таким образом, что они не нарушают вычислений. Поступая таким образом, они расслабились, что строгие требования к чистоте примерно на четыре порядка — или в 10 000 раз — то есть они нужны только углеродные нанотрубки примерно в 99.99% чистоты, которые в настоящее время можно.
Проектирование схем в основном требует библиотеку различных логических элементов, прикрепленных к транзисторов, которые могут быть объединены, чтобы, скажем, создать сумматоры и умножители — как сочетание букв в алфавите, чтобы создать слова. Исследователи поняли, что металлические углеродные нанотрубки влияние разных комбинаций этих ворот по-разному. Один металлический углеродных нанотрубок в ворота, например, может разорвать связь между А и Б. Но несколько металлических углеродных нанотрубок в ворота B может не повлиять на любой из его соединений.
В дизайн чипа, есть много способов, чтобы реализовать код на цепь. Исследователи побежал моделирования, чтобы найти все различные комбинации, ворота, что бы быть устойчивым и не устойчивым к любой металлической углеродных нанотрубок. Затем они подгоняли чип-дизайн-программа для автоматического выучить комбинации, в наименьшей степени затронутых металлических углеродных нанотрубок. При разработке нового чипа, программа будет использовать только надежные комбинации и игнорировать уязвимых комбинаций.
“»Мечта» каламбур очень много задумано, потому что это решение,” Shulaker говорит. “Это позволяет нам купить углеродные нанотрубки с полки, положить их на лепешку, и просто строить свою цепь вроде нормально, не делая ничего особенного”.
Отшелушивающий и тюнинг
Изготовление CNFET начинается с внесения углеродных нанотрубок в растворе на вафли с предустановленной транзистор архитектур. Однако, некоторые углеродные нанотрубки неизбежно палку случайным образом вместе и образуют крупные пучки — словно спагетти формируется в шарики — это форма большой загрязнения частицы на кристалле.
Для очищения загрязнений, созданных исследователями полоскание (для “удаления инкубировали нанотрубок через селективный пилинг”). Вафельные получает предварительно с агентом, который способствует адгезии углеродных нанотрубок. Затем пластину покрывают определенные полимера и смоченной в специальном растворителе. Что смывает полимера, который только уносит большой связок, в то время как один углеродные нанотрубки остаются на пластине. Методика приводит к примерно 250 раз уменьшение плотности частиц на кристалле по сравнению с аналогичными методами.
Наконец, исследователи решали общие функциональные проблемы с CNFETs. Двоичных вычислений, требует двух типов транзисторов: “Н” типа, которые включение с 1 бит и от 0 бит, и “P” типов, которые делают наоборот. Традиционно, делая два типа из углеродных нанотрубок была сложной, часто уступая транзисторы, которые различаются по производительности. Для этого решения, исследователи разработали метод, называемый смешанной (по “металла интерфейс пересекается с электростатическим допинг”), который точно настраивает транзисторы для функции и оптимизации.
В этой технике, они придают определенный металлов для каждого транзистора — платины или титана, что позволяет их исправить, что транзистор P или N. потом, они покрывают CNFETs в оксидной смеси на основе атомно-слоевого осаждения, который позволяет им настроиться на транзисторах характеристик для конкретных приложений. Сервера, например, часто требуют транзисторов, которые действуют очень быстро, но использовать энергию и мощность. Носимых устройств и медицинских имплантатов, с другой стороны, могут использовать более медленные, маломощные транзисторы.
Главная цель-получить фишки в реальный мир. С этой целью исследователи уже приступили к реализации своих технологий в Кремниевой мастерской стружки в рамках программы передовых оборонных научно-исследовательских работ, которые поддержали исследование. Хотя никто не может сказать, когда фишки выполнены полностью из углеродных нанотрубок будет на прилавках, Shulaker говорит, что это может быть менее пяти лет. “Мы думаем, что это больше не вопрос Если, но когда,” он говорит.
Работа также была поддержана аналоговые устройства, Национального научного фонда, и ВВС научно-исследовательской лаборатории.
