Gli ingegneri del MIT costruiscono microprocessori avanzati da nanotubi di carbonio.
Il nuovo approccio utilizza gli stessi processi di produzione dei chip di silicio e fornisce progressi significativi nello sviluppo di computer di prossima generazione.
Dopo anni passati ad affrontare molte sfide di sviluppo e produzione, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un microprocessore a transistor nanotubo di carbonio all'avanguardia che è ampiamente considerato come un'alternativa più veloce e più verde alle loro controparti tradizionali in silicio.
Il microprocessore, descritto oggi sulla rivista Nature, può essere fabbricato usando le tradizionali tecniche di fabbricazione di chip di silicio e rappresenta un passo importante verso un'applicazione più pratica dei microprocessori a nanotubi di carbonio.
I transistor al silicio - componenti critici del microprocessore che passano da 1 a 0 bit per eseguire calcoli - sono stati affermati nell'industria dei computer da decenni. Come previsto dalla legge di Moore, ogni pochi anni l'industria è stata in grado di ridimensionare i transistor e posizionare più chip per eseguire calcoli sempre più complessi. Ma gli esperti prevedono un momento in cui i transistor al silicio non si restringeranno più e diventeranno sempre più inefficaci.
La fabbricazione di transistor ad effetto di campo in nanotubi di carbonio (CNFET) è diventata un obiettivo importante nella costruzione di computer di prossima generazione. La ricerca mostra che i CNFET hanno proprietà che promettono l'efficienza energetica 10 e velocità molto più elevate rispetto al silicio. Ma se i transistor sono realizzati su piccola scala, spesso presentano molte carenze che influiscono sulle prestazioni, quindi non sono pratici.
Un primo piano di un moderno microprocessore costituito da transistor a effetto di campo con nanotubi di carbonio. Ringraziamenti - Immagine: Felice Frankel, MIT
I ricercatori del MIT hanno sviluppato nuove tecniche per ridurre drasticamente i difetti e consentire il controllo completo sulla funzione di produzione di CNFET utilizzando processi nelle tradizionali fonderie di chip di silicio. Hanno dimostrato un microprocessore 16 bit con più di CNFET 14.000, che svolge le stesse attività dei microprocessori commerciali. Il Nature Paper descrive il design del microprocessore e include più di 70 pagine che descrivono il metodo di produzione.
Il microprocessore si basa sull'architettura del chip open source RISC-V, che contiene una serie di istruzioni che un microprocessore può eseguire. Il microprocessore dei ricercatori è stato in grado di eseguire con precisione l'intero set di istruzioni. Una versione modificata del classico programma "Hello, World!" Che è stato stampato, "Hello, World!" Sono RV16XNano, realizzato con CNT. "
"Questo è di gran lunga il chip più avanzato di una nanotecnologia alle prime armi che rappresenta una grande promessa per l'elaborazione ad alte prestazioni ed efficienza energetica", afferma il coautore Max M. Shulaker, Professore di ingegneria elettrica e informatica (EECS) per lo sviluppo professionale di Emanuel E Landsman e Membro dei Microsystems Technology Laboratories. “Ci sono limiti al silicio. Se vogliamo continuare a fare progressi nell'informatica, i nanotubi di carbonio rappresentano uno dei modi più promettenti per superare questi limiti.
Insieme a Shulaker, le seguenti persone lavorano al progetto: primo autore e postdoc Gage Hills, studenti laureati Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho e Aya Amer, tutti provenienti da EECS; Arvind, Johnson Professore di Informatica e Ingegneria e Ricercatore nel Laboratorio di Informatica e Intelligenza Artificiale; Anantha Chandrakasan, preside della scuola di ingegneria e Vannevar Bush professore di ingegneria elettrica e informatica; e Samuel Fuller, Yosi Stein e Denis Murphy, tutti dispositivi analogici.
Gli ingegneri del MIT hanno costruito un moderno microprocessore da transistor a effetto di campo in nanotubi di carbonio (nella foto), che sono considerati più veloci e più rispettosi dell'ambiente rispetto ai transistor al silicio. Il nuovo approccio utilizza gli stessi processi di produzione dei chip di silicio. Ringraziamenti - Immagine: Felice Frankel, MIT
Combattere la "maledizione" dei CNFET
Il microprocessore si basa su una precedente simulazione sviluppata da Shulaker e altri ricercatori sei anni fa che aveva solo CNFET 178 e funzionava su un singolo bit di dati. Da allora, Shulaker e i suoi colleghi del MIT hanno affrontato tre problemi specifici nella produzione di dispositivi: difetti dei materiali, difetti di fabbricazione e problemi funzionali. Hills ha assunto la maggior parte del design del microprocessore, mentre Lau ha assunto la maggior parte della produzione.
Per anni, il difetto insito nei nanotubi di carbonio è stata una "maledizione del campo", afferma Shulaker. Idealmente, i CNFET necessitano di proprietà semiconduttive per attivare e disattivare la loro conduttività in base ai bit 1 e 0, ma inevitabilmente una piccola porzione dei nanotubi di carbonio sarà metallica e rallenterà o fermerà il transistor. Per resistere a questi guasti, i circuiti moderni richiedono nanotubi di carbonio con una purezza di circa il 99,999999 percento, che oggi è praticamente impossibile da produrre.
I ricercatori hanno sviluppato una tecnica chiamata DREAM (acronimo di "Design Resiliency against Metallic CNTs") che posiziona i CNFET metallici in modo che non interferiscano con l'elaborazione dei dati. In tal modo, hanno allentato questi rigorosi requisiti di purezza di circa quattro ordini di grandezza - o 10.000 volte - il che significa che hanno bisogno solo di nanotubi di carbonio con una purezza di circa il 99,99 percento, che è attualmente possibile.
La progettazione di circuiti richiede fondamentalmente una selezione di diverse porte logiche collegate a transistor che possono essere combinate per creare sommatori e moltiplicatori, ad esempio, come combinare lettere dell'alfabeto per creare parole. I ricercatori hanno scoperto che i nanotubi di carbonio metallici influenzano in modo diverso i diversi accoppiamenti di queste porte. Ad esempio, un singolo nanotubo di carbonio metallico nel gate A può interrompere la connessione tra A e B. Tuttavia, più nanotubi di carbonio metallici nel Gate B non possono interferire con nessuna delle loro connessioni.
Nella progettazione di chip, ci sono molti modi per implementare il codice su un circuito. I ricercatori hanno eseguito simulazioni per trovare tutte le diverse combinazioni di gate resistenti e resistenti ai nanotubi di carbonio metallici. Hanno quindi adattato un programma di progettazione di chip per determinare automaticamente le combinazioni che sono meno colpite dai nanotubi di carbonio metallici. Quando si progetta un nuovo chip, il programma utilizza solo le combinazioni robuste e ignora le combinazioni vulnerabili.
"La parola" sogno "è del tutto intenzionale perché è la soluzione del sogno", dice Shulaker. "Questo ci consente di acquistare nanotubi di carbonio dallo scaffale, gettarli su un wafer e semplicemente impostare il nostro circuito come al solito senza fare nient'altro".
Esfoliazione e messa a punto
La produzione di CNFET inizia con l'applicazione di nanotubi di carbonio in una soluzione a un wafer con architetture a transistor prefabbricate. Tuttavia, alcuni nanotubi di carbonio si attaccano inevitabilmente insieme in modo casuale per formare grandi pile - come fili di spaghetti che vengono modellati in piccole palline - che creano una grande contaminazione di particelle sul chip.
Per sradicare questa contaminazione, i ricercatori hanno creato RINSE (per "Rimozione di nanotubi incubati mediante esfoliazione selettiva"). Il wafer viene pretrattato con una preparazione che favorisce l'adesione dei nanotubi di carbonio. La cialda viene quindi rivestita con uno specifico polimero e immersa in uno speciale solvente. Questo lava via il polimero, che porta via solo i grandi fasci mentre i singoli nanotubi di carbonio si attaccano al wafer. La tecnica porta a una riduzione di circa 250 volte della densità delle particelle sul chip rispetto a metodi simili.
Infine, i ricercatori hanno esaminato problemi funzionali comuni con i CNFET. Per il calcolo binario sono necessari due tipi di transistor: i tipi "N", che si accendono a 1 bit e si spengono a 0 bit, e i tipi "P", che hanno l'effetto opposto. Tradizionalmente, era difficile produrre i due tipi da nanotubi di carbonio, il che spesso si traduceva in transistor con diversi livelli di prestazioni. Per questa soluzione, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica chiamata MIXED (per "Metal Interface Engineering incrociato con drogaggio elettrostatico"), che regola con precisione i transistor per funzione e ottimizzazione.
In questa tecnica, legano determinati metalli a ciascun transistor - platino o titanio - che consente loro di fissare quel transistor come P o N. Quindi rivestono i CNFET in un composto di ossido mediante deposizione di strati atomici, che consente loro di regolare le proprietà dei transistor per applicazioni specifiche. Ad esempio, i server spesso necessitano di transistor che funzionino molto rapidamente, ma che allo stesso tempo trasportino energia e prestazioni. I dispositivi indossabili e gli impianti medici, d'altra parte, possono utilizzare transistor più lenti ea bassa potenza.
L'obiettivo principale è portare le fiches nel mondo reale. A tal fine, i ricercatori hanno ora iniziato a implementare le loro tecniche di produzione in una fonderia di chip di silicio attraverso un programma della Defense Advanced Research Projects Agency, che supporta la ricerca. Sebbene nessuno possa dire quando i chip realizzati interamente con nanotubi di carbonio arriveranno sugli scaffali, Shulaker afferma che potrebbero volerci meno di cinque anni. "Pensiamo che non si tratti più di se, ma di quando", dice.
Il lavoro è stato supportato anche da Analog Devices, National Science Foundation e Air Force Research Laboratory.
Articolo: MIT / ISE, immagine: Felice Frankel, MIT
