Na jarenlang talloze ontwerp- en fabricage-uitdagingen aan te pakken, MIT-onderzoekers hebben een moderne microprocessor gebouwd van koolstofnanobuistransistors, die algemeen worden gezien als een snellere, groener alternatief voor hun traditionele silicium tegenhangers.

De microprocessor, vandaag beschreven in het tijdschrift Natuur , kan worden gebouwd met behulp van traditionele fabricageprocessen van siliciumchips, een belangrijke stap in de richting van het praktischer maken van microprocessors van koolstofnanobuisjes.

Siliciumtransistors - essentiële microprocessorcomponenten die schakelen tussen 1 en 0 bits om berekeningen uit te voeren - hebben de computerindustrie decennia lang gedragen. Zoals voorspeld door de wet van Moore, de industrie is erin geslaagd om elke paar jaar te krimpen en meer transistors op chips te proppen om steeds complexere berekeningen uit te voeren. Maar experts voorzien nu een tijd dat siliciumtransistors zullen stoppen met krimpen, en steeds inefficiënter worden.

Het maken van koolstofnanobuis-veldeffecttransistoren (CNFET) is een belangrijk doel geworden voor het bouwen van computers van de volgende generatie. Onderzoek wijst uit dat CNFET's eigenschappen hebben die ongeveer 10 keer de energie-efficiëntie en veel hogere snelheden beloven in vergelijking met silicium. Maar als het op schaal wordt gefabriceerd, de transistors hebben vaak veel defecten die de prestaties beïnvloeden, dus ze blijven onpraktisch.

De MIT-onderzoekers hebben nieuwe technieken uitgevonden om defecten drastisch te beperken en volledige functionele controle mogelijk te maken bij het fabriceren van CNFET's, met behulp van processen in traditionele siliciumchipsgieterijen. Ze demonstreerden een 16-bits microprocessor met meer dan 14, 000 CNFET's die dezelfde taken uitvoeren als commerciële microprocessors. Het Nature-document beschrijft het ontwerp van de microprocessor en bevat meer dan 70 pagina's waarin de fabricagemethodologie wordt beschreven.

De microprocessor is gebaseerd op de RISC-V open-source chiparchitectuur met een reeks instructies die een microprocessor kan uitvoeren. De microprocessor van de onderzoekers was in staat om de volledige set instructies nauwkeurig uit te voeren. Het voerde ook een aangepaste versie uit van de klassieke "Hallo, Wereld!" programma, uitprinten, "Hallo, Wereld! Ik ben RV16XNano, gemaakt van CNT's."

"Dit is verreweg de meest geavanceerde chip die is gemaakt van alle opkomende nanotechnologieën die veelbelovend is voor krachtige en energiezuinige computers, " zegt co-auteur Max M. Shulaker, de Emanuel E Landsman Career Development Assistant Professor of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) en lid van de Microsystems Technology Laboratories. "Er zijn grenzen aan silicium. Als we winst willen blijven maken op het gebied van computergebruik, koolstofnanobuisjes vormen een van de meest veelbelovende manieren om die limieten te overwinnen. [The paper] vindt volledig opnieuw uit hoe we chips bouwen met koolstofnanobuisjes."

Deelnemen aan Shulaker op het papier zijn:eerste auteur en postdoc Gage Hills, afgestudeerde studenten Christian Lau, Andreas Wright, Mindy D. Bisschop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Hoe, en Aya Amer, alle EECS; Arvind, de Johnson Professor of Computer Science and Engineering en een onderzoeker in het Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory; Anantha Chandrakasan, de decaan van de School of Engineering en de Vannevar Bush-hoogleraar Elektrotechniek en Computerwetenschappen; en Samuel Fuller, Yosi Stein, en Dennis Murphy, alle analoge apparaten.

Vechten tegen de "vloek" van CNFET's

De microprocessor bouwt voort op een eerdere iteratie die zes jaar geleden door Shulaker en andere onderzoekers was ontworpen en die slechts 178 CNFET's had en op een enkel gegevensbit draaide. Vanaf dat moment, Shulaker en zijn MIT-collega's hebben drie specifieke uitdagingen aangepakt bij het produceren van de apparaten:materiaaldefecten, fabricagefouten, en functionele problemen. Hills deed het grootste deel van het ontwerp van de microprocessor, terwijl Lau het grootste deel van de productie voor zijn rekening nam.

Voor jaren, de defecten die inherent zijn aan koolstofnanobuisjes zijn een "vloek van het veld, " zegt Shulaker. Idealiter, CNFET's hebben halfgeleidende eigenschappen nodig om hun geleidbaarheid aan en uit te zetten, overeenkomend met de bits 1 en 0. Maar onvermijdelijk, een klein deel van koolstofnanobuisjes zal van metaal zijn, en zal het schakelen van de transistor vertragen of stoppen. Om robuust te zijn tegen die mislukkingen, geavanceerde circuits hebben koolstofnanobuizen nodig met een zuiverheid van ongeveer 99,999999 procent, die tegenwoordig vrijwel onmogelijk te produceren is.

De onderzoekers kwamen met een techniek genaamd DREAM (een acroniem voor "designing veerkracht tegen metalen CNT's"), die metalen CNFET's zo positioneert dat ze de computer niet verstoren. Daarbij, ze versoepelden die strenge zuiverheidsvereiste met ongeveer vier ordes van grootte - of 10, 000 keer - wat betekent dat ze alleen koolstofnanobuisjes nodig hebben met een zuiverheid van ongeveer 99,99 procent, wat momenteel mogelijk is.

Het ontwerpen van circuits vereist in feite een bibliotheek van verschillende logische poorten die zijn bevestigd aan transistors die kunnen worden gecombineerd tot, zeggen, maak optellers en vermenigvuldigers, zoals het combineren van letters in het alfabet om woorden te maken. De onderzoekers realiseerden zich dat de metalen koolstofnanobuisjes verschillende combinaties van deze poorten verschillend beïnvloedden. Een enkele metalen koolstof nanobuis in poort A, bijvoorbeeld, kan de verbinding tussen A en B verbreken. Maar verschillende metalen koolstofnanobuisjes in poort B mogen geen van de verbindingen beïnvloeden.

Bij chipontwerp, er zijn veel manieren om code op een circuit te implementeren. De onderzoekers voerden simulaties uit om alle verschillende poortcombinaties te vinden die robuust zouden zijn en niet robuust zouden zijn voor metalen koolstofnanobuisjes. Vervolgens hebben ze een chipontwerpprogramma aangepast om automatisch de combinaties te leren die het minst waarschijnlijk worden beïnvloed door metalen koolstofnanobuizen. Bij het ontwerpen van een nieuwe chip, het programma gebruikt alleen de robuuste combinaties en negeert de kwetsbare combinaties.

"De woordspeling 'DREAM' is heel erg bedoeld, omdat het de droomoplossing is, " zegt Shulaker. "Hierdoor kunnen we koolstofnanobuisjes van de plank kopen, laat ze op een wafel vallen, en bouw gewoon ons circuit zoals normaal, zonder iets speciaals te doen."

Exfoliëren en afstemmen

De fabricage van CNFET begint met het afzetten van koolstofnanobuisjes in een oplossing op een wafer met vooraf ontworpen transistorarchitecturen. Echter, sommige koolstofnanobuisjes plakken onvermijdelijk willekeurig aan elkaar om grote bundels te vormen - zoals spaghettislierten die tot kleine balletjes worden gevormd - die grote deeltjesverontreiniging op de chip vormen.

Om die vervuiling te reinigen, de onderzoekers creëerden RINSE (voor "verwijdering van geïncubeerde nanobuisjes door selectieve exfoliatie"). De wafel wordt voorbehandeld met een middel dat de hechting van koolstof nanobuisjes bevordert. Vervolgens, de wafel is bedekt met een bepaald polymeer en gedompeld in een speciaal oplosmiddel. Dat spoelt het polymeer weg, die alleen de grote bundels wegvoert, terwijl de enkele koolstof nanobuisjes aan de wafel blijven kleven. De techniek leidt tot een ongeveer 250 keer lagere deeltjesdichtheid op de chip in vergelijking met vergelijkbare methoden.

als laatste, de onderzoekers pakten veelvoorkomende functionele problemen aan met CNFET's. Binair computergebruik vereist twee soorten transistors:"N"-types, die aan gaan met een 1 bit en uit gaan met een 0 bit, en "P"-typen, die het tegenovergestelde doen. traditioneel, het maken van de twee soorten uit koolstofnanobuisjes was een uitdaging, vaak resulterende transistors die variëren in prestaties. Voor deze oplossing de onderzoekers ontwikkelden een techniek genaamd MIXED (voor "metaalinterface-engineering gekruist met elektrostatische doping"), die transistors nauwkeurig afstemt voor functie en optimalisatie.

Bij deze techniek, ze hechten bepaalde metalen aan elke transistor - platina of titanium - waardoor ze die transistor als P of N kunnen fixeren. ze coaten de CNFET's in een oxideverbinding door afzetting in de atoomlaag, waardoor ze de karakteristieken van de transistors kunnen afstemmen op specifieke toepassingen. Servers, bijvoorbeeld, vereisen vaak transistoren die zeer snel werken, maar die energie en stroom verbruiken. Wearables en medische implantaten, anderzijds, kan langzamer gebruiken, laagvermogentransistors.

Het belangrijkste doel is om de chips in de echte wereld te krijgen. Daartoe, de onderzoekers zijn nu begonnen met het implementeren van hun productietechnieken in een siliciumchipgieterij via een programma van Defense Advanced Research Projects Agency, die het onderzoek ondersteunden. Hoewel niemand kan zeggen wanneer chips volledig gemaakt van koolstofnanobuisjes in de schappen zullen liggen, Shulaker zegt dat het minder dan vijf jaar kan zijn. "We denken dat het niet langer de vraag is of, maar wanneer, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.