Предвестник конца эры кремниевой электроники — первый компьютер на углеродных нанотрубках

«Представьте, что вы наступаете на садовый шланг, — предлагает профессор Стэнфордского университета Филип Вонг (Philip Wong). — Чем тоньше шланг, тем легче прервать поток воды». Подобное же сочетание эффективной проводимости и легкости выключения, теоретически, делает нанотрубки (CNT) прекрасными кандидатами на роль электронных транзисторов.

По его словам, CNT могут дать нам на порядок больше того, что в перспективе представляется возможным «выжать» из кремния. Однако на пути практического применения этого многообещающего материала стоят присущие ему структурные дефекты.

Прежде всего, нанотрубки далеко не всегда формируются параллельно друг другу. Постепенно совершенствуя технологии их получения, инженеры добились того, что 99,5% CNT растут параллельно. Но в микросхемах, содержащих миллиарды нанотрубок, даже ничтожный процент дефектных CNT способен приводить к критическим ошибкам, то есть проблема остается актуальной.

Кроме того, часть даже параллельных трубок может проявлять металлические свойства, то есть, не останавливать при необходимости электрический ток, как это делают полупроводники.

Ориентируясь в качестве конечной цели на массовое производство, исследователи должны найти способы эффективно бороться с непараллельными и металлическими CNT, вместо того, чтобы выискивать их как иголки в стоге сена.

Статья Вонга и его университетского коллеги, профессора Митры (Subhasish Mitra), анонсированная на обложке журнала Nature, описывает двухэтапный подход к решению этой проблемы, названный авторами «дефектоиммунным конструированием».

Чтобы устранить металлические нанотрубки, стэндфордские ученые отключали все «годные» CNT и пропускали через схему большой ток. Весь он концентрировался на этих мельчайших проводниках, которые буквально испарялись, превращаясь в двуокись углерода. Это приводило к практически полному устранению металлических нанотрубок за один прием.

Исключение из цепей непараллельных нанотрубок потребовало более сложной техники. Для этого был создан мощный алгоритм, компонующий схему таким образом, чтобы она гарантированно работала — вне зависимости от наличия или местоположения неправильно ориентированных CNT.

«Именно эта методика «дефектоиммунного конструирования» делает данное открытие действительно выдающимся», заявляет Санкар Басу (Sankar Basu), директор программы в Национальном научном фонде.

Стэнфордская команда успешно использовала ее для сборки простого компьютера, состоящего всего из 178 транзисторов — максимум сложности для университетского оборудования по изготовлению микросхем. Собственно предложенный метод допускает масштабирование в самых широких пределах.

Прототип компьютера на углеродных нанотрубках работает под управлением базовой операционной системы, выполняя подсчет и сортировку чисел, а также переключение между двумя этими процессами.

Демонстрируя потенциал таких систем, исследователи показали, что CNT-компьютер способен выполнять коммерческий набор команд MIPS, разработанный в начале 1980-х нынешним президентом Стэнфорда Джоном Хеннэси (John Hennessy).

«Хотя реализация этого и может занять многие годы, но стэнфордский подход отчетливо указывает на возможность производства полупроводников на базе углеродных нанотрубок в промышленных масштабах», — свидетельствует Нареш Шанбхаг (Naresh Shanbhag), профессор Иллинойского университета в Урбана-Шампань и директор SONIC, консорциума, созданного для исследований в области конструирования чипов следующего поколения.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI