全球首款碳纳米管微处理器问世!基于 RISC-V 架构,“硅”不再是芯片的唯一选择

阅读数:6706 2019 年 8 月 29 日 13:54

全球首款碳纳米管微处理器问世!基于RISC-V架构,“硅”不再是芯片的唯一选择

MIT News Office 消息,MIT 工程师用碳纳米管制成了一种先进的微处理器。这款微处理器利用了硅芯片相同的制造工艺,但与传统的硅材料相比,碳纳米管制成的这款芯片具有更高的能效比和更快的运算速率。

8 月 28 日发表在《Nature》杂志上的这款碳纳米管微处理器,不仅可以使用传统的硅芯片制造工艺制造,还采用了 RISC-V 开源芯片架构。这款微处理器的问世,使碳纳米管处理器在芯片领域变得更加实用,且迈出了非常重要的一步。

硅晶体管——在 1 位和 0 位之间进行计算转换的关键微处理器组件——已经在计算机行业中存在了几十年。正如摩尔定律所预测的那样,业界已经能够缩小规模,每隔几年就在芯片上集成更多的晶体管,但随着后摩尔时代的到来,晶体管的集成已经不再和以前一样容易。

制造碳纳米管场效应晶体管 (CNFET) 已成为下一代计算机的主要目标。研究表明,与硅相比,CNFET 具有 10 倍左右的能源效率和更快的运算速度。但是,当大规模生产时,晶体管往往有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铸造厂的工艺,发明了新技术,极大地限制了缺陷,并实现了 CNFET 制造过程中的全功能控制。他们展示了一种 16 位微处理器,具有超过 14000 个 CNFET,可以执行与商用微处理器相同的任务。《Nature》杂志的论文描述了微处理器的设计,包括 70 多页的详细制造方法。

该微处理器基于 RISC-V 开源芯片架构,而且能够准确地执行全套指令。除此之外,它还执行了经典“Hello,World!”的修改版本——“Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs”

“这是迄今为止最先进的芯片,由大部分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,“硅是有限制的。如果我们想在计算领域继续取得进展,碳纳米管是最有希望克服这些限制的方法之一。这篇论文彻底改变了我们用碳纳米管制造芯片的方式。”

全球首款碳纳米管微处理器问世!基于RISC-V架构,“硅”不再是芯片的唯一选择

解决 CNFET 的“祸根”

生产碳纳米管处理器有三个巨大的挑战:材料缺陷、制造缺陷和功能问题。

多年来,碳纳米管固有的缺陷一直是“该领域的祸根”,Shulaker 说。理想情况下,CNFET 需要半导体特性对应位元 1 和位元 0。但不可避免的是,一小部分碳纳米管是金属的,它们会减缓或阻止晶体管的 1 和 0 之间的切换。为了解决这些问题,芯片将需要纯度在 99.999999% 左右的碳纳米管,而这在今天几乎是不可能的。

MIT 的研究人员提出了一种名为 DREAM(“designing resiliency against metallic CNTs”的缩写)的技术,该技术以一种不会干扰计算的方式定位金属碳纳米管。在此过程中,他们将严格的纯度要求降低了约 4 个数量级,即 10000 倍,这意味着他们只需要纯度达到 99.99% 左右的碳纳米管,而这是目前可能的。

“'DREAM’双关语是非常有意义的,因为它是梦想的解决方案。” Shulaker 说,“这使得我们可以购买现成的碳纳米管,将它们放到晶圆上,然后像平常一样构建我们的电路,而不做任何特别的事情。”

去除“污染”与调优

CNFET 的制造始于将碳纳米管在溶液中沉积到具有预先设计的晶体管结构的晶圆上。然而,一些碳纳米管不可避免地会随机地粘在一起,形成大束,就像意大利面串成小球一样,在芯片上形成大颗粒污染物。

为了清除这种污染,研究人员发明了 RINSE。晶圆片用一种促进碳纳米管粘附的试剂进行预处理。然后,在晶圆上涂上某种聚合物,并浸入一种特殊的溶剂中。这样一来,聚合物就会被冲走,因为它只能带走大的碳束,而单个碳纳米管则会保留在晶片上。与类似的方法相比,该技术使芯片上的颗粒密度降低了约 250 倍。

最后,研究人员解决了 CNFET 常见的功能问题。二进制计算需要两种类型的晶体管:“N”型晶体管和“P”型晶体管,“N”型晶体管的 1 为开,“P”型晶体管的 0 为开。传统上,用碳纳米管制造这两种类型的晶体管一直具有挑战性,通常会产生性能各异的晶体管。为了解决这个问题,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”),它可以精确地调整晶体管的功能和优化。

在这种技术,他们将某些金属附着在每个晶体管上 (铂或钛 ),这使得晶体管可以固定为 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,这使得它们可以调整晶体管的特性适用于特定应用。例如,服务器通常需要性能非常快的晶体管,但它会消耗能量和电能。另一方面,可穿戴设备和医用植入物可能使用速度较慢、功率较低的晶体管。

写在后面

毫无疑问,碳纳米管微处理器的成功将会带来巨大的改变。目前 95% 以上的芯片制造都离不开硅晶体管,而来自 MIT 碳纳米管微处理器的成功,给芯片制造带来了一种新的方向。

我们不敢保证未来所有的芯片都将集成碳纳米晶体管,但这款横空出世的微处理器带来了一个强烈的信号——“硅”不再是唯一选择。

当然,也许“硅谷”也不再是。

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