Inženýři MIT staví pokročilé mikroprocesory z uhlíkových nanotrubic.
Nový přístup využívá stejné výrobní procesy jako křemíkové čipy a poskytuje významný pokrok ve vývoji počítačů nové generace.
Po letech řešení mnoha vývojových a výrobních výzev vyvinuli výzkumníci MIT nejmodernější tranzistorový mikroprocesor s uhlíkovými nanotrubicemi, který je široce považován za rychlejší a zelenější alternativu ke svým tradičním křemíkovým protějškům.
Mikroprocesor, popsaný dnes v časopise Nature, může být vyroben za použití konvenčních technik výroby křemíkových čipů a představuje důležitý krok směrem k praktičtější aplikaci uhlíkových nanotrubičových mikroprocesorů.
Křemíkové tranzistory - kritické mikroprocesorové komponenty, které při výpočtech přepínají mezi 1 a 0 bity - jsou v počítačovém průmyslu zavedeny po celá desetiletí. Jak předpovídal Moorův zákon, průmysl dokázal každých několik let zmenšit velikost tranzistorů a umístit více čipů na místo, aby mohl provádět stále složitější výpočty. Odborníci však předpovídají dobu, kdy se křemíkové tranzistory již nebudou zmenšovat a budou stále více neúčinné.
Výroba tranzistorů s uhlíkovým nanotrubičovým polem (CNFET) se stala důležitým cílem při konstrukci počítačů nové generace. Výzkum ukazuje, že CNFETy mají vlastnosti, které slibují 10-násobnou energetickou účinnost a mnohem vyšší rychlosti ve srovnání s křemíkem. Ale pokud jsou tranzistory vyráběny v malém měřítku, často mají mnoho nedostatků, které ovlivňují výkon, takže nejsou praktické.
Detail moderního mikroprocesoru tvořeného tranzistory s efektem pole uhlíkových nanotrubiček. Poděkování - Obrázek: Felice Frankel, MIT
Vědci MIT vyvinuli nové techniky, které drasticky snižují defekty a umožňují úplnou kontrolu nad funkcí výroby CNFET pomocí procesů v tradičních slévárnách křemíkových čipů. Předvedli 16-bitový mikroprocesor s více než 14.000 CNFETy, který plní stejné úkoly jako komerční mikroprocesory. Nature Paper popisuje design mikroprocesoru a obsahuje více než 70 stránek popisujících způsob výroby.
Mikroprocesor je založen na architektuře čipu open source RISC-V, která obsahuje řadu pokynů, které mikroprocesor může provádět. Mikroprocesor vědců dokázal přesně provést celou sadu instrukcí. Upravená verze klasického programu „Hello, World!“, Která byla vytištěna: „Hello, World!“ Jsem RV16XNano, vyrobený z CNT. “
„Jedná se o zdaleka nejpokročilejší čip z rodící se nanotechnologie, který je velkým příslibem pro vysoce výkonné a energeticky efektivní výpočty,“ říká spoluautor Max M. Shulaker, profesor Emanuel E Landsman Career Development Assistant of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) a Člen Microsystems Technology Laboratories. "U křemíku existují limity." Pokud máme pokračovat v pokroku ve výpočetní technice, představují uhlíkové nanotrubice jeden z nejslibnějších způsobů, jak tyto limity posunout.
Spolu s Shulakerem pracují na projektu: první autor a postdokument Gage Hills, postgraduální studenti Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho a Aya Amer, všichni z EECS; Arvind, Johnson profesor informatiky a inženýrství a výzkumný pracovník v Laboratoři informatiky a umělé inteligence; Anantha Chandrakasan, děkanka technické školy a Vannevar Bush profesorka elektrotechniky a informatiky; a Samuel Fuller, Yosi Stein a Denis Murphy, všechna analogová zařízení.
Inženýři na MIT postavili moderní mikroprocesor z tranzistorů s efektem pole z uhlíkových nanotrubiček (na obrázku), které jsou považovány za rychlejší a ekologičtější než tranzistory křemíku. Nový přístup používá stejné výrobní procesy jako u křemíkových čipů. Poděkování - Obrázek: Felice Frankel, MIT
Boj proti „kletbě“ CNFET
Mikroprocesor staví na dřívější simulaci vyvinuté Shulakerem a dalšími vědci před šesti lety, která měla pouze 178 CNFET a běžela na jediném kousku dat. Od té doby se Shulaker a jeho kolegové z MIT zabývají třemi specifickými problémy ve výrobě zařízení: materiálovými defekty, výrobními defekty a funkčními problémy. Hills převzal většinu mikroprocesorového designu, zatímco Lau převzal většinu výroby.
Vada spojená s uhlíkovými nanotrubičkami byla po celá léta „kletbou pole“, říká Shulaker. V ideálním případě potřebují CNFET polovodičové vlastnosti k zapnutí a vypnutí jejich vodivosti podle bitů 1 a 0, ale nevyhnutelně bude malá část uhlíkových nanotrubiček kovová a zpomalí nebo zastaví tranzistor. Aby byly moderní obvody odolné vůči těmto poruchám, vyžadují uhlíkové nanotrubice o čistotě asi 99,999999 procent, což je dnes prakticky nemožné vyrobit.
Vědci vyvinuli techniku nazvanou DREAM (zkratka pro „Design Resiliency against Metallic CNTs“), která umisťuje kovové CNFET tak, aby nezasahovaly do zpracování dat. Přitom uvolnili tyto přísné požadavky na čistotu zhruba o čtyři řády - neboli 10.000 99,99krát - což znamená, že potřebují pouze uhlíkové nanotrubice o čistotě asi XNUMX procenta, což je v současné době možné.
Navrhování obvodů v zásadě vyžaduje výběr různých logických hradel připojených k tranzistorům, které lze kombinovat a vytvářet například sčítače a multiplikátory - jako je kombinace písmen v abecedě a vytváření slov. Vědci zjistili, že kovové uhlíkové nanotrubice ovlivňují různé párování těchto bran odlišně. Například jedna kovová uhlíková nanotrubice v bráně A může přerušit spojení mezi A a B. Několik kovových uhlíkových nanotrubiček v bráně B však nemůže rušit žádné z jejich spojení.
V designu čipu existuje mnoho způsobů, jak implementovat kód do obvodu. Vědci provedli simulace, aby našli všechny různé kombinace hradel, které jsou odolné a odolné vůči kovovým uhlíkovým nanotrubicím. Poté upravili program pro návrh čipů tak, aby automaticky určovali kombinace, které jsou nejméně ovlivněny kovovými uhlíkovými nanotrubicemi. Při navrhování nového čipu program používá pouze robustní kombinace a ignoruje zranitelné kombinace.
„Slovní hra„ snít “je zcela záměrná, protože je to řešení snů,“ říká Shulaker. „To nám umožňuje nakupovat uhlíkové nanotrubice z regálu, hodit je na oplatku a jednoduše nastavit náš okruh jako obvykle, aniž bychom dělali cokoli jiného.“
Odlupování a ladění
Výroba CNFET začíná aplikací uhlíkových nanotrubiček v roztoku na destičku s prefabrikovanými tranzistorovými architekturami. Některé uhlíkové nanotrubice se však nevyhnutelně náhodně slepí, aby vytvořily velké hromádky - jako prameny špaget ve tvaru malých koulí - které vytvářejí na čipu velkou kontaminaci částic.
K vymýcení této kontaminace vytvořili vědci RINSE (pro „Odstranění inkubovaných nanotrubiček pomocí selektivní exfoliace“). Oplatka je předem ošetřena přípravkem, který podporuje adhezi uhlíkových nanotrubiček. Oplatka je poté potažena specifickým polymerem a ponořena do speciálního rozpouštědla. Tím se odplavuje polymer, který odnáší pouze velké svazky, zatímco jednotlivé uhlíkové nanotrubičky se lepí na destičku. Tato technika vede k přibližně 250násobnému snížení hustoty částic na čipu ve srovnání s podobnými metodami.
Nakonec se vědci podívali na běžné funkční problémy s CNFET. Pro binární výpočty jsou vyžadovány dva typy tranzistorů: typy „N“, které se zapínají s 1 bitem a vypínají se s 0 bitem, a typy „P“, které mají opačný účinek. Tradičně bylo obtížné vyrobit tyto dva typy z uhlíkových nanotrubiček, což často vedlo k tranzistorům s různými úrovněmi výkonu. Pro toto řešení vyvinuli vědci techniku nazvanou MIXED (pro „Metal Interface Engineering zkříženou s elektrostatickým dopingem“), která přesně upravuje tranzistory pro funkci a optimalizaci.
V této technice vážou určité kovy na každý tranzistor - platinu nebo titan - což jim umožňuje fixovat tento tranzistor jako P nebo N. Poté potahují CNFET ve sloučenině oxidu depozicí atomové vrstvy, což jim umožňuje vyladit vlastnosti tranzistorů pro konkrétní aplikace. Například servery často potřebují tranzistory, které fungují velmi rychle, ale zároveň nesou energii a výkon. Nositelná zařízení a lékařské implantáty naopak mohou používat pomalejší tranzistory s nízkou spotřebou.
Hlavním cílem je dostat čipy do reálného světa. Za tímto účelem vědci nyní začali implementovat své výrobní techniky ve slévárně křemíkových čipů prostřednictvím programu Agentury pro obranný výzkum, který výzkum podporuje. I když nikdo nemůže říci, kdy se na police dostanou čipy vyrobené výhradně z uhlíkových nanotrubiček, Shulaker říká, že to může být méně než pět let. "Myslíme si, že už to není o tom, jestli, ale kdy," říká.
Práce byla podporována také Analog Devices, National Science Foundation a Air Force Research Laboratory.
Článek: MIT / ISE, obrázek: Felice Frankel, MIT
