Powstał pierwszy nowoczesny procesor z tranzystorami z węglowych nanorurek
Na MIT powstał nowoczesny mikroprocesor z tranzystorami z nanorurek węglowych. Urządzenie można wyprodukować za pomocą technik używanych obecnie przez przemysł półprzewodnikowy, co ma olbrzymie znaczenie dla ewentualnego wdrożenia.
Nanorurki węglowe są od dawna przedmiotem zainteresowań, gdyż dają nadzieję na zbudowanie kolejnej generacji komputerów po tym, gdy układów krzemowych nie będzie można już miniaturyzować. Tranzystory polowe z nanorurek węglowych (CNFET) mogą mieć bardzo obiecujące właściwości. Z dotychczasowych badań wynika, że powinny być one około 10-krotnie bardziej efektywne pod względem zużycia energii i pozwolić na przeprowadzanie obliczeń ze znacznie większą prędkością. Problem jednak w tym, że przy masowej produkcji w nanorurkach pojawia się tak wiele defektów, że nie można ich w praktyce wykorzystać.
Naukowcy z MIT opracowali nową technikę, która znacząco zmniejsza liczbę defektów i daje pełną kontrolę nad produkcję CNFET. Co ważne, technika ta wykorzystuje procesy już używane w przemyśle półprzewodnikowym. Dzięki niej na MIT wyprodukowano 16-bitowy mikroprocesor składający się z 14 000 CNFET, który jest w stanie wykonywać te same obliczenia co tradycyjny procesor.
Nowy procesor oparto na architekturze RISC-V. Testy wykazały, że jest on zdolny do wykonania pełnego zestawu instrukcji dla tej technologii.
To, jak dotychczas, najbardziej zaawansowany chip wykonany w nowym procesie nanotechnologicznym, który daje nadzieję na wysoką wydajność i efektywność energetyczną, mówi współautor badań, profesor Max M. Shulaker. Krzem ma swoje ograniczenia. Jeśli chcemy coraz szybszych komputerów, to węglowe nanorurki są najbardziej obiecującym materiałem. Nasze badania pokazują zupełnie nowy sposób budowy układów scalonych z węglowymi nanorurkami.
Shulaker i jego zespół od dawna pracują nad układami scalonymi z CNFET. Przed sześcioma laty byli w stanie zaprezentować procesor złożony ze 178 CNFET, który mógł pracować na pojedynczym bicie danych. Od tamtego czasu uczeni skupili się na rozwiązaniu trzech kluczowych problemów: defektach materiałowych, niedociągnięciach produkcyjnych oraz problemach funkcjonalnych.
Największym problemem było uzyskanie nanorurek odpowiedniej jakości. Żeby CNFET działał bez zakłóceń, musi bez problemów przełączać się pomiędzy stanem 0 i 1, podobnie jak tradycyjny tranzystor. Jednak zawsze podczas produkcji powstanie jakaś część nanorurek, które będą wykazywały właściwości metalu, a nie półprzewodnika. Takie nanorurki czynią CNFET całkowicie nieprzydatnym. Zaawansowane układy scalone, by być odpornymi na obecność wadliwych nanorurek i móc szybko wykonywać zaawansowane obliczenia, musiałyby korzystać z nanorurek o czystości sięgającej 99,999999%. Obecnie jest to niemożliwe do osiągnięcia.
Naukowcy z MIT opracowali technikę nazwaną DREAM (designing resilency against metallic CNT), która tak pozycjonuje metaliczne CNFET, że nie zakłócają one obliczeń. Dzięki temu zmniejszyli wymagania dotyczące czystości nanorurek aż o cztery rzędy wielkości. To zaś oznacza, że do wyprodukowania w pełni sprawnego układu potrzebują nanorurek o czystości sięgającej 99,99%, a to jest obecnie możliwe.
Uczeni przeanalizowali różne kombinacje bramek logicznych i zauważyli, że metaliczne nanorurki węglowe nie wpływają na nie w ten sam sposób. Okazało się, że pojedyncza metaliczna nanorurki w bramce A może uniemożliwić komunikację pomiędzy nią, a bramką B, ale już liczne metaliczne nanorurki w bramce B nie wpływają negatywnie na jej możliwości komunikacji z żadną bramką. Przeprowadzili więc symulacje, by odnaleźć wszystkie możliwe kombinacje bramek, które byłyby odporne na obecność wadliwych nanorurek. Podczas projektowania układu scalonego brano pod uwagę jedynie te kombinacje. Dzięki technice DREAM możemy po prostu kupić komercyjne dostępne nanorurki, umieścić je na plastrze i stworzyć układ scalony, nie potrzebujemy żadnych specjalnych zabiegów, mówi Shulaker.
Produkcja CNFET rozpoczyna się od nałożenia znajdujących się w roztworze nanorurek na podłoże z predefiniowanym architekturą układu. Jednak nie do uniknięcia jest sytuacja, w której część nanorurek pozbija się w grupy, tworząc rodzaj dużych cząstek zanieczyszczających układ scalony. Poradzono sobie z tym problemem tworząc technikę RINSE (removal of incubated nanotubes through selective exfoliation). Na podłoże nakłada się wcześniej związek chemiczny, który ułatwia nanorurkom przyczepianie się do niego. Następnie, już po nałożeniu nanorurek, całość pokrywana jest polimerem i zanurzana w specjalnym rozpuszczalniku. Rozpuszczalnik zmywa polimer, a ten zabiera ze sobą pozbijane w grupy nanorurki. Te zaś nanorurki, które nie zgrupowały się z innymi, pozostają przyczepione do podłoża. Technika ta aż 250-kronie zmniejsza zagęszczenie zbitek nanorurek w porównaniu z alternatywnymi metodami ich usuwania.
Poradzono sobie też z ostatnim problemem, czyli wytworzeniem tranzystorów typu N i typu P. Zwykle produkcja tych tranzystorów z węglowych nanorurek kończyła się uzyskaniem urządzeń o bardzo różniącej się wydajności. Problem rozwiązano za pomocą nowej techniki o nazwie MIXED (metal interface engineering crossed with electrostatic doping), dzięki której możliwe jest precyzyjna optymalizacja procesorów do wymaganych zadań. Technika ta polega na dołączeniu do każdego tranzystora, w zależności czy ma być on P czy N, odpowiedniego metalu, platyny lub tytanu. Następnie tranzystory są pokrywane tlenkiem, co pozwala na ich dostosowanie do zadań, jakie będą spełniały. Można więc osobno dostroić je do pracy w zastosowaniach w wysoko wydajnych serwerach, a osobno do energooszczędnych implantów medycznych.
Obecnie, w ramach programu prowadzonego przez DARPA (Agencja Badawcza Zaawansowanych Projektów Obronnych), wspomniane techniki produkcji układów scalonych z węglowych nanorurek wdrażane są w fabrycznych liniach produkcyjnych. W tej chwili nikt nie potrafi powiedzieć, kiedy w sklepach pojawią się pierwsze procesory z CNFET. Shulaker mówi, że może się to stać już w ciągu najbliższych pięciu lat. Sądzimy, że teraz to już nie jest pytanie czy, ale pytanie kiedy, mówi uczony.
Komentarze (0)