Продвинутый углеродный процессор продемонстрирован в действии

Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) и фирмы Analog Devices создали первый полностью программируемый 16-разрядный микропроцессор, состоящий из углеродных нанотрубок (CNT). Это самое сложное на сегодняшний день КМОП-устройство на базе CNT содержит почти 15 тысяч транзисторов CNFET и изготовлено по технологиям, которые гарантированно работают в современной среде коммерческого полупроводникового производства.

Описанный во вчерашней статье журнала Nature процессор RV16X-NANO представляет следующую итерацию созданного тем же коллективом шесть лет назад одноразрядного чипа с 178 транзисторами CNFET. В отличие от предшественника, RV16X-NANO построен на открытой архитектуре RISC-V и выполняет стандартные 32-битовые инструкции для 16-разрядных данных и адресов.

Исследования показывают, что CNFET могут иметь на порядок более высокую энергоэффективность, чем кремниевые транзисторы и гораздо большее быстродействие. Но при изготовлении в промышленном масштабе, углеродные транзисторы изобилуют дефектами, которые ухудшают производительность и делают такие устройства непрактичными.

Главной заслугой исследовательского коллектива MIT стало изобретение трёх новых способов, позволяющих решить вопросы, связанные с дефектами в материале, с дефектами, вносимыми производственным процессом, и с функциональными проблемами CNFET.

Техника DREAM (Designing Resiliency Against Metallic CNTs) снижает требуемую чистоту материала в 10 тысяч раз, до 99,99% (не более одной металлической нанотрубка на 10 тыс. полупроводящих), что делает её вполне достижимой в противоположность прежнему.

Процедура RINSE (Removal of Incubated Nanotubes through Selective Exfoliation), которая заключается в нанесении на подложку с нанотрубками фоторезиста и последующем его осторожном смывании, удаляет слипшиеся комки CNT и оставляет только индивидуальные нанотрубки, за счёт их более прочной связи с основой силами Ван дер Ваальса. RINSE снижает поверхностную концентрацию дефектных частиц в 250 раз.

И, наконец, техника MIXED (Metal Interface engineering crossed with Electrostatic Doping) настраивает функциональные характеристики транзисторов, превращая их в один из двух типов: «P» или «N». Для этого используется электростатическое легирование: наносимый на CNT атомно-слоевым осаждением (ALD) диэлектрик, в зависимости от состава (количества кислорода) превращается либо в донора, либо в акцептора электронов.

В ходе испытаний микропроцессор выполнил модифицированную версию классической программы «Здравствуй, мир!», распечатав на выходе: «Здравствуй, мир! Я RV16XNano, сделанный из CNT».

В настоящее время исследователи в рамках программы Агентства оборонных передовых исследовательских проектов (DARPA) начали внедрять свои технологии на заводе по производству кремниевых чипов. Они считают, что от рыночного дебюта углеродные процессоры может отделять менее пяти лет. «Мы думаем, что это уже не вопрос «если», а вопрос «когда»», заявил Макс Шулакер (Max M. Shulaker), доцент кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS) и сотрудник Лабораторий технологии микросистем MIT.