Рабочий компьютер из углеродных нанотрубок

Рабочий компьютер из углеродных нанотрубок

Исследователи MIT создали современный микропроцессор из транзисторов с углеродными нанотрубками, которые также быстрее работают по своим возможностям считается более экологичной альтернативой, чем нынешние доминирующие чипы на основе кремния.

Кредит изображения: MIT

Считается, что в мире передовых вычислений и прогресса в создании компьютеров следующего поколения следующим необходимым шагом будет значительный прогресс в нанотехнологиях .

В настоящее время исследователи из Массачусетского технологического института создали современный микропроцессор из транзисторов с углеродными нанотрубками, которые, как и более быстрые по своим возможностям, считаются более зеленой альтернативой, чем доминирующие в настоящее время чипы на основе кремния.

Новый микропроцессор, как описано в журнале Nature может быть изготовлен путем использования традиционных методов изготовления кремниевых чипов. Это означает, что создание микропроцессоров с углеродными нанотрубками может быть более практичным и доступным в будущем. Команда из Массачусетского технологического института заявляет в своей статье, что «эта работа экспериментально подтверждает многообещающий путь к практическим электронным системам, не связанным с кремнием».

Раньше промышленность обладала способностью постоянно загружать все больше и больше транзисторов на микросхемы – в соответствии с законом Мура, – однако сейчас эксперты полагают, что для кремниевых микросхем можно ожидать конца. Это рассматривается как серьезный сдвиг парадигмы из-за возможности того, что масштабирование кремниевых транзисторов может вскоре перестать обеспечивать те же энергосберегающие преимущества, к которым привыкла промышленность, поскольку становится все труднее постоянно сокращать транзисторы.

Таким образом, цель производства полевых транзисторов с углеродными нанотрубками (CNFET) стала приоритетом для разработки проектирования и создания компьютеров следующего поколения. Последние исследования показывают, что CNFET обладают качествами, необходимыми для повышения энергоэффективности до 10 раз по сравнению с эффективностью кремния, а также для обеспечения гораздо более высоких скоростей обработки.

«На сегодняшний день это самый продвинутый чип, созданный из любой новой нанотехнологии, перспективный для высокопроизводительных и энергоэффективных вычислений»,

говорит Макс М. Шулакер, соавтор статьи, Эммануэль Э. Ландсман, помощник профессора в области электротехники и компьютерных наук (EECS) и сотрудник Лаборатории микросистемных технологий.

Однако, когда транзисторы с углеродными нанотрубками обычно изготавливаются в необходимом масштабе, они часто могут иметь дефекты, что делает внедрение в промышленные методы далеко не практичным. Таким образом, команда из MIT разработала новые методы для глубокого уменьшения дефектов при сохранении полного функционального контроля при изготовлении CNFET, используя процессы, синонимичные с кремниевым изготовлением.

Архитектура микропроцессора основана на микросхеме с открытым исходным кодом RISC-V, которая оснащена набором инструкций и задач, которые может выполнять микропроцессор. Микропроцессор MIT смог выполнить полный набор инструкций с большой точностью. Он также выполнил классическую программу «Здравствуй, мир!» С изюминкой, распечатав: «Здравствуй, мир! Я RV16XNano, сделанный из УНТ ».

Этот прогресс знаменует собой начало замечательного прорыва в посткремниевой электронике и нанотехнологиях. «Есть пределы для кремния. Если мы хотим продолжать иметь успехи в вычислительной технике, углеродные нанотрубки представляют собой один из наиболее многообещающих способов преодоления этих ограничений. [The paper] полностью заново изобретает способ создания чипов с углеродными нанотрубками », – заявил Шулакер.

Микропроцессор берет свое начало от итерации, разработанной Шулакером и другими исследователями шесть лет назад, которая имела только 178 CNFET и работала с одним битом данных. Впоследствии Шулакер и его коллеги из MIT должны были преодолеть три проблемы в производстве устройств: производственные дефекты, дефекты материалов и функциональные проблемы. Гейдж Хиллс, первый автор исследования и постдока в Департаменте электротехники и компьютерных наук, Массачусетский технологический институт, сделал основную часть проекта микропроцессора, в то время как Кристиан Лау, соавтор, занимался большей частью производства.

На протяжении многих лет дефекты углеродных нанотрубок были «проклятием области», говорит Шулакер. Как правило, для CNFET требуются полупроводниковые свойства для включения и выключения их проводимости, соответствующие битам 1 и 0. Тем не менее, небольшая часть углеродных нанотрубок будет металлической, что часто замедляет или останавливает транзистор от переключения. Чтобы противостоять этим отказам, схемам с расширенными возможностями потребуются углеродные нанотрубки с чистотой около 99,999999%, что сегодня практически невозможно произвести.

Команда разработала методику, называемую DREAM (разработка устойчивости к металлическим УНТ), которая размещает металлические CNFET так, чтобы они не мешали работе. При этом жесткие требования к чистоте были смягчены примерно на четыре порядка – или в 10000 раз – таким образом, требуются только углеродные нанотрубки с чистотой около 99,99%, что в настоящее время возможно. «Игра« DREAM »очень ценится, потому что это решение мечты», Шулакер говорит. «Это позволяет нам покупать углеродные нанотрубки с полки, бросать их на пластину и просто строить нашу схему как обычно, не делая ничего особенного».

Конкретные металлы, такие как платина или титан, прикрепляются к каждому транзистору, что позволяет им фиксировать этот транзистор как P или N. За этим следует нанесение покрытия на CNFET в оксидном соединении путем осаждения на атомном слое. Эта часть процесса позволяет настраивать характеристики транзисторов для конкретных применений. Например, серверам часто нужны транзисторы, которые могут работать на очень высоких скоростях, но они также потребляют много энергии и энергии. Медицинские имплантаты, с другой стороны, могут использовать более медленные, маломощные транзисторы.

Конечная игра для команды – вывести фишки в реальный мир. Таким образом, благодаря программе Агентства перспективных исследовательских проектов в области обороны, которая поддерживала исследования, исследователи начали внедрять свои технологии изготовления в литейном производстве кремниевых чипов. Хотя точные временные рамки не могут быть указаны относительно того, когда мы увидим следующее поколение компьютеров или чипов, состоящих из углеродных нанотрубок, Шулакер считает, что это может произойти в течение пяти лет. «Мы думаем, что это уже не вопрос, а когда», – говорит он .

Source link