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周记-纳米管能否逾越摩尔定律

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麻省理工学院的研讨人员运用工作规范规划流程和工艺成功构建了一个运用碳纳米管晶体管的16位RISC-V微处理器,其能效比硅微处理器高10倍。

​跟着硅不再遵从前史规范趋势,对硅超纳米技能进行了很多研讨。根据碳纳米管场效应晶体管(CNFET)的数字电路供给了一种具有明显节能效益的办法,但无法完美操控碳纳米管中的固有纳米级缺点和可变性,因而无法完成超大规模集成体系。

在自然界出书的70页论文中,麻省理工学院的研讨人员在国防高档研讨方案局(DA周记-纳米管能否逾越摩尔定律RPA),ADI公司,国家科学基金会和空军研讨实验室的支撑下,概述了怎么战胜这些应战来展现彻底由CNFET构建的超硅微处理器。

16位微处理器根据RISC-V指令集,在16位数据和地址上运转规范32位指令,包括14,000多个互补金属氧化物半导体CN刘湘FET,选用工作规范规划规周记-纳米管能否逾越摩尔定律划和制作流程和流程。在本文中,他们提出了碳纳米管的制作办法,这是一套组合加工和规划技能,用于在整个晶圆基板的微观规范上战胜纳米级缺点。

逾越摩尔定律

迄今为止,该工作一向遵从摩尔定律,每隔几年就会将更多的晶体管缩小并填充到芯片上,以进行日益杂乱的核算。可是,有一段时间硅晶体管将中止萎缩并变得越来越低效。研讨标明,与硅比较,CNFET具有能量功率约10倍且速度更快的特性。可是,当大规模制作时,晶体管一般会带来许多影响功用的缺点,因而它们依然不切实际。

麻省理工学院的研讨人员运用传统硅芯片代工厂的工艺,发明晰新技能,以明显约束缺点,并在制作CNFET时完成全功用操控。根据RISC-V开源芯片架构的根据CNFET的微处理器可以准确地履行全套指令。它还履行了经典“Hello,World!”程序的修正版别,打印出来,“Hello,World!我是RV16XNano,由CNT制成。“

“这是迄今为止最先进的芯片,由任何新式的纳米技能制成,有望用于高功用和高能效的核算,”一同作者Max M. Shulaker说,Emanuel E Landsman工作开展助理教授电气工程和核算机科学(EEC周记-纳米管能否逾越摩尔定律S)和微体系技能实验室的成员。 “硅有约束。假如咱们想持续在核算方面获得发展,碳纳周记-纳米管能否逾越摩尔定律米管代表了战胜这些约束的最有期望的办法之一。该论文彻底从头发明晰周记-纳米管能否逾越摩尔定律咱们怎么运用碳纳米管制作芯片。“

购买碳纳米管,放到晶圆上构建电路

微处理器建立在Shulaker和其他研讨人员六年前规划的前一次迭代的基础上,该迭代只要178个CNFET并运转在一位数据上。从那时起,Shulaker和他的麻省理工学院的搭档们现已处理了出产设备的三个详细应战:资料缺点,制作缺点和功用问题。

多年来,碳纳米管固有的缺点一向是“该范畴的祸源”,舒拉克说。抱负情况下,CNFET需求半导体特性以在封闭时切换其导电性,对应于位1和0.可是不可避免地,一小部分碳纳米管将是金属的,而且将减慢或阻挠晶体管切换。为了对这些毛病坚持稳健,先进的电路将需求纯度约为99.999999%的碳纳米管,这在今日简直不或许出产。

研讨人员提出了一种名为DREAM(“规划弹性对立金属CNT”的首字母缩写词)的技能,该技能以不会损坏核算的办法定位金属CNFET。在这样做时,他们将严厉的纯度要求放宽了大约四个数量级 - 或10,000倍 - 意味着他们只需求纯度约为99.99%的碳纳米管,这是现在可行的。

规划电路基本上需求一个衔接到晶体管的不同逻辑门库,可以组合起来,比方创立加法器和乘法器 - 比方组合字母表中的字母来创立单词。研讨人员意识到金属碳纳米管对这些门的不同配对发生了不同的影响。例如,门A中的单个金属碳纳米管或许损坏A和B之间的衔接。可是门B中的几个金属碳纳米管或许不会影响其任何衔接。

在芯片规划中,有许多办法可以在电路上完成代码。研讨人员进行了模仿,发现了一切不同的浇口组合,这些浇口组合十分巩固,对任何金属碳纳米管都不具有鲁棒性。然后,他们定制了芯片规划程序,以主动学习最不或许受金属碳纳米管影响的组合。在规划新芯片时,该程序将仅运用强壮的组兼并疏忽易受攻击的组合。

Shulaker说:“'DREAM'双关语是十分有含义的,由于它是愿望的处理方案。” “这使得咱们可以购买现成的碳纳米管,将它们放到晶圆上,然后像往常相同构建咱们的电路,而不做任何特别的工作。”

去角质和调整

CNFET制作开端于将碳纳米管在溶液中堆积到具有预先规划的晶体管架构的晶片上。但是,一些碳纳米管不可避免地随机粘在一同构成大束 - 就像构成小球的意大利面条 - 在芯片上构成大颗粒污染。

为了铲除这种污染,研讨人员发明了RINSE(用于“经过选择性去角质去除温育的纳米管”)。用促进碳纳米管粘附的试剂预处理晶片。然后,用某种聚合物涂覆晶片并浸入特别溶剂中。这洗掉了聚合物,聚合物只带走了大束,而单个碳纳米管依然粘在晶片上。与相似办法比较,该技能导致芯片上的颗粒密度削减约250倍。

最终,研讨人员处理了CNFET的常见功用问题。二进制核算需求两种类型的晶体管:“N”型,以1位敞开,0位开关,“P”型,相反。传统上,用碳纳米管制作这两种类型一向是具有应战性的,一般发生功用不同的晶体管。关于这个处理方案,研讨人员开发了一种名为MIXED的技能(用于“与静电掺杂穿插的金属界面工程”),该技能可准确调理晶体管的功用和优化。

在这种技能中,它们将某些金属附着在每个晶体管上 - 铂或钛 - 这使得周记-纳米管能否逾越摩尔定律它们可以将晶体管固定为P或N.然后,它们经过原子层堆积将CNFET涂覆在氧化物化合物中,这使得它们可以调整晶体管的特性适用于特定运用。例如,服务器一般需求可以快速起作用但耗尽能量和功率的晶体管。另一方面,可穿戴设备和医疗植入物或许运用较慢的低功率晶体管。

首要方针是将芯片带入实际国际。为此,研讨人员现已开端经过DARPA的一项方案将其制作技能运用于硅芯片代工厂,该方案支撑该研讨。尽管没有人能说彻底由碳纳米管制成的芯片什么时候会上架,但Shulaker说这或许不到五年。 “咱们以为这不再是一个问题,不管是什么时候,而是何时,”他说。