Efter år av att tackla många design- och tillverkningsutmaningar, MIT-forskare har byggt en modern mikroprocessor av kolnanorörstransistorer, som allmänt ses som en snabbare, grönare alternativ till sina traditionella silikonmotsvarigheter.

Mikroprocessorn, beskrivs idag i journalen Natur , kan byggas med traditionella tillverkningsprocesser för kiselchips, representerar ett stort steg mot att göra kolnanorörsmikroprocessorer mer praktiska.

Kiseltransistorer - kritiska mikroprocessorkomponenter som växlar mellan 1 och 0 bitar för att utföra beräkningar - har burit datorindustrin i årtionden. Som förutspåtts av Moores lag, industrin har kunnat krympa ner och klämma in fler transistorer på chips vartannat år för att hjälpa till att utföra allt mer komplexa beräkningar. Men experter förutser nu en tid då kiseltransistorer kommer att sluta krympa, och blir allt mer ineffektiv.

Att göra kolnanorörsfälteffekttransistorer (CNFET) har blivit ett stort mål för att bygga nästa generations datorer. Forskning visar att CNFET har egenskaper som lovar cirka 10 gånger energieffektiviteten och mycket högre hastigheter jämfört med kisel. Men när den tillverkas i stor skala, transistorerna kommer ofta med många defekter som påverkar prestandan, så de förblir opraktiska.

MIT-forskarna har uppfunnit nya tekniker för att dramatiskt begränsa defekter och möjliggöra full funktionell kontroll vid tillverkning av CNFET, använda processer i traditionella kiselchipgjuterier. De demonstrerade en 16-bitars mikroprocessor med mer än 14, 000 CNFET:er som utför samma uppgifter som kommersiella mikroprocessorer. Nature-papperet beskriver mikroprocessorns design och innehåller mer än 70 sidor som beskriver tillverkningsmetoderna.

Mikroprocessorn är baserad på RISC-V-chiparkitekturen med öppen källkod som har en uppsättning instruktioner som en mikroprocessor kan exekvera. Forskarnas mikroprocessor kunde utföra hela uppsättningen instruktioner exakt. Den körde också en modifierad version av klassikern "Hej, World!"-programmet, skriva ut, "Hej, Värld! Jag är RV16XNano, gjorda av CNT."

"Detta är det i särklass mest avancerade chipet tillverkat av någon ny nanoteknik som lovar högpresterande och energieffektiv datoranvändning, " säger medförfattaren Max M. Shulaker, Emanuel E Landsman Karriärutveckling biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap (EECS) och medlem av Microsystems Technology Laboratories. "Det finns gränser för kisel. Om vi ​​vill fortsätta ha vinster i datoranvändning, kolnanorör representerar ett av de mest lovande sätten att övervinna dessa gränser. [tidningen] återuppfinner helt hur vi bygger chips med kolnanorör."

Med Shulaker på tidningen är:första författare och postdoc Gage Hills, doktorander Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho, och Aya Amer, hela EECS; Arvind, Johnson professor i datavetenskap och teknik och en forskare i datavetenskap och artificiell intelligens Laboratory; Anantha Chandrakasan, dekanus för Tekniska Högskolan och Vannevar Bush professor i elektroteknik och datavetenskap; och Samuel Fuller, Yosi Stein, och Denis Murphy, alla analoga enheter.

Bekämpa "banans" av CNFETs

Mikroprocessorn bygger på en tidigare iteration designad av Shulaker och andra forskare för sex år sedan som bara hade 178 CNFET:er och körde på en enda bit data. Sedan dess, Shulaker och hans MIT-kollegor har angripit tre specifika utmaningar vid tillverkningen av enheterna:materialdefekter, tillverkningsfel, och funktionella problem. Hills gjorde huvuddelen av mikroprocessordesignen, medan Lau skötte det mesta av tillverkningen.

I åratal, defekterna som är inneboende i kolnanorör har varit en "bana av fältet, " säger Shulaker. Helst, CNFET:er behöver halvledande egenskaper för att stänga av deras konduktivitet, motsvarande bitarna 1 och 0. Men oundvikligen, en liten del av kolnanorören kommer att vara metalliska, och kommer att bromsa eller stoppa transistorn från att byta. För att vara robust mot dessa misslyckanden, avancerade kretsar kommer att behöva kolnanorör med cirka 99,999999 procent renhet, som är praktiskt taget omöjligt att producera idag.

Forskarna kom fram till en teknik som kallas DREAM (en akronym för "designing resiliency against metallic CNTs"), som placerar metalliska CNFET på ett sätt så att de inte stör datoranvändningen. Genom att göra så, de lättade på det stränga renhetskravet med cirka fyra storleksordningar – eller 10, 000 gånger – vilket betyder att de bara behöver kolnanorör med ungefär 99,99 procent renhet, vilket är möjligt för närvarande.

Att designa kretsar kräver i grunden ett bibliotek med olika logiska grindar kopplade till transistorer som kan kombineras till, säga, skapa adderare och multiplikatorer – som att kombinera bokstäver i alfabetet för att skapa ord. Forskarna insåg att de metalliska kolnanorören påverkade olika parningar av dessa grindar på olika sätt. Ett enda metalliskt kolnanorör i gate A, till exempel, kan bryta kopplingen mellan A och B. Men flera metalliska kolnanorör i grindar B kanske inte påverkar någon av dess anslutningar.

I chipdesign, det finns många sätt att implementera kod på en krets. Forskarna körde simuleringar för att hitta alla olika grindkombinationer som skulle vara robusta och inte skulle vara robusta mot några metalliska kolnanorör. De anpassade sedan ett chip-designprogram för att automatiskt lära sig de kombinationer som minst sannolikt kommer att påverkas av metalliska kolnanorör. När du designar ett nytt chip, programmet kommer bara att använda de robusta kombinationerna och ignorera de sårbara kombinationerna.

"DREAM-ordleken är väldigt avsedd, eftersom det är drömlösningen, ", säger Shulaker. "Detta gör att vi kan köpa kolnanorör från hyllan, släpp dem på en oblat, och bara bygga vår krets som vanligt, utan att göra något speciellt."

Peeling och trimning

CNFET-tillverkning börjar med att deponera kolnanorör i en lösning på en wafer med fördesignade transistorarkitekturer. Dock, vissa kolnanorör klistrar oundvikligen ihop slumpmässigt för att bilda stora buntar - som spagettisträngar formade till små bollar - som bildar stora partikelföroreningar på chipet.

För att rensa den föroreningen, forskarna skapade RINSE (för "borttagning av inkuberade nanorör genom selektiv exfoliering"). Skivan förbehandlas med ett medel som främjar vidhäftning av kolnanorör. Sedan, wafern är belagd med en viss polymer och doppas i ett speciellt lösningsmedel. Det tvättar bort polymeren, som bara bär bort de stora buntarna, medan nanorören av enstaka kol förblir fast vid skivan. Tekniken leder till cirka 250 gångers minskning av partikeldensiteten på chipet jämfört med liknande metoder.

Slutligen, forskarna tog itu med vanliga funktionella problem med CNFET. Binär beräkning kräver två typer av transistorer:"N" typer, som slås på med en 1 bit och av med en 0 bit, och "P" typer, som gör tvärtom. Traditionellt, att göra de två typerna av kolnanorör har varit utmanande, ger ofta transistorer som varierar i prestanda. För denna lösning, forskarna utvecklade en teknik som kallas MIXED (för "metall interface engineering crossed with electrostatic doping"), som justerar transistorer för funktion och optimering.

I denna teknik, de fäster vissa metaller till varje transistor – platina eller titan – vilket gör att de kan fixera den transistorn som P eller N. Sedan, de belägger CNFETs i en oxidförening genom atomskiktsavsättning, vilket gör att de kan ställa in transistorernas egenskaper för specifika applikationer. Servrar, till exempel, kräver ofta transistorer som agerar mycket snabbt men som använder energi och kraft. Bärbara produkter och medicinska implantat, å andra sidan, kan använda långsammare, lågeffekttransistorer.

Huvudmålet är att få ut markerna i den verkliga världen. För detta ändamål, forskarna har nu börjat implementera sina tillverkningstekniker i ett kiselchipgjuteri genom ett program av Defense Advanced Research Projects Agency, som stödde forskningen. Även om ingen kan säga när chips gjorda helt av kolnanorör kommer att hamna på hyllorna, Shulaker säger att det kan vara mindre än fem år. "Vi tror att det inte längre är en fråga om, men när, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.