Dopo anni passati ad affrontare numerose sfide di progettazione e produzione, I ricercatori del MIT hanno costruito un moderno microprocessore da transistor a nanotubi di carbonio, che sono ampiamente visti come un più veloce, alternativa più ecologica alle tradizionali controparti in silicio.

Il microprocessore, descritto oggi sul giornale Natura , può essere costruito utilizzando i tradizionali processi di fabbricazione di chip di silicio, rappresenta un passo importante verso la praticità dei microprocessori a nanotubi di carbonio.

I transistor al silicio, componenti critici del microprocessore che commutano tra 1 e 0 bit per eseguire calcoli, hanno trainato l'industria dei computer per decenni. Come previsto dalla legge di Moore, l'industria è stata in grado di rimpicciolire e stipare più transistor sui chip ogni due anni per aiutare a eseguire calcoli sempre più complessi. Ma gli esperti ora prevedono un momento in cui i transistor al silicio smetteranno di ridursi, e diventare sempre più inefficiente.

Realizzare transistor ad effetto di campo con nanotubi di carbonio (CNFET) è diventato uno degli obiettivi principali per la costruzione di computer di nuova generazione. La ricerca indica che i CNFET hanno proprietà che promettono circa 10 volte l'efficienza energetica e velocità molto maggiori rispetto al silicio. Ma quando fabbricato su larga scala, i transistor hanno spesso molti difetti che influiscono sulle prestazioni, quindi rimangono impraticabili.

I ricercatori del MIT hanno inventato nuove tecniche per limitare drasticamente i difetti e consentire il pieno controllo funzionale nella fabbricazione di CNFET, utilizzando processi nelle tradizionali fonderie di chip di silicio. Hanno dimostrato un microprocessore a 16 bit con più di 14, 000 CNFET che svolgono gli stessi compiti dei microprocessori commerciali. Il documento Nature descrive il design del microprocessore e include più di 70 pagine che descrivono in dettaglio la metodologia di produzione.

Il microprocessore si basa sull'architettura del chip open source RISC-V che dispone di 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. Ha anche eseguito una versione modificata del classico "Ciao, Mondo!" programma, stampa, "Ciao, Mondo! Sono RV16XNano, fatto da CNT."

"Questo è di gran lunga il chip più avanzato realizzato con qualsiasi nanotecnologia emergente che è promettente per l'elaborazione ad alte prestazioni ed efficiente dal punto di vista energetico, " afferma il coautore Max M. Shulaker, l'Emanuel E Landsman Career Development Assistant Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) e membro dei Microsystems Technology Laboratories. "Ci sono limiti al silicio. Se vogliamo continuare ad avere guadagni nell'informatica, i nanotubi di carbonio rappresentano uno dei modi più promettenti per superare questi limiti. [Il documento] reinventa completamente il modo in cui costruiamo chip con nanotubi di carbonio".

Insieme a Shulaker sulla carta sono:primo autore e postdoc Gage Hills, studenti laureati Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Vescovo, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho, e Aya Amer, tutti EECS; Arvind, il Johnson Professor of Computer Science and Engineering e ricercatore nel Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory; Anantha Chandrakasan, il preside della Facoltà di Ingegneria e il Vannevar Bush Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica; e Samuel Fuller, Yosi Stein, e Denis Murphy, tutti i dispositivi analogici.

Combattere la "sventura" dei CNFET

Il microprocessore si basa su una precedente iterazione progettata da Shulaker e altri ricercatori sei anni fa che aveva solo 178 CNFET e funzionava su un singolo bit di dati. Da allora, Shulaker e i suoi colleghi del MIT hanno affrontato tre sfide specifiche nella produzione dei dispositivi:difetti dei materiali, difetti di fabbricazione, e problemi funzionali. Hills ha fatto la maggior parte del progetto del microprocessore, mentre Lau ha gestito la maggior parte della produzione.

Per anni, i difetti intrinseci ai nanotubi di carbonio sono stati una "rovina del campo, "Dice Shulaker. Idealmente, I CNFET hanno bisogno di proprietà semiconduttive per attivare o disattivare la loro conduttività, corrispondente ai bit 1 e 0. Ma inevitabilmente, una piccola porzione di nanotubi di carbonio sarà metallica, e rallenterà o fermerà la commutazione del transistor. Per essere robusti a quei fallimenti, i circuiti avanzati avranno bisogno di nanotubi di carbonio con una purezza di circa il 99,999999 percento, che oggi è praticamente impossibile da produrre.

I ricercatori hanno ideato una tecnica chiamata DREAM (acronimo di "progettare la resilienza contro i CNT metallici"), che posiziona i CNFET metallici in modo che non interrompano l'elaborazione. Così facendo, hanno allentato quel rigoroso requisito 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%, che è attualmente possibile.

La progettazione di circuiti richiede fondamentalmente una libreria di diverse porte logiche collegate a transistor che possono essere combinati, dire, creare sommatori e moltiplicatori, come combinare le lettere dell'alfabeto per creare parole. I ricercatori si sono resi conto che i nanotubi di carbonio metallici hanno un impatto diverso sui diversi accoppiamenti di queste porte. Un singolo nanotubo di carbonio metallico nella porta A, ad esempio, potrebbe interrompere la connessione tra A e B. Ma diversi nanotubi di carbonio metallici nelle porte B potrebbero non avere alcun impatto su nessuna delle sue connessioni.

Nella progettazione del chip, ci sono molti modi per implementare il codice su un circuito. I ricercatori hanno eseguito simulazioni per trovare tutte le diverse combinazioni di porte che sarebbero robuste e non sarebbero robuste per nessun nanotubi di carbonio metallico. Hanno quindi personalizzato un programma di progettazione di chip per apprendere automaticamente le combinazioni che hanno meno probabilità di essere influenzate dai nanotubi di carbonio metallici. Quando si progetta un nuovo chip, il programma utilizzerà solo le combinazioni robuste e ignorerà le combinazioni vulnerabili.

"Il gioco di parole "DREAM" è molto intenzionale, perché è la soluzione dei sogni, "Shulaker dice. "Questo ci permette di acquistare nanotubi di carbonio dallo scaffale, farli cadere su un'ostia, e costruisci il nostro circuito come di consueto, senza fare nient'altro di speciale."

Esfoliante e messa a punto

La fabbricazione di CNFET inizia con il deposito di nanotubi di carbonio in una soluzione su un wafer con architetture di transistor preprogettate. Però, alcuni nanotubi di carbonio si attaccano inevitabilmente insieme casualmente per formare grandi fasci, come fili di spaghetti formati in piccole palline, che formano una grande contaminazione di particelle sul chip.

Per pulire quella contaminazione, i ricercatori hanno creato RINSE (per "rimozione di nanotubi incubati tramite esfoliazione selettiva"). Il wafer viene pretrattato con un agente che favorisce l'adesione dei nanotubi di carbonio. Quindi, il wafer è rivestito con un certo polimero e immerso in uno speciale solvente. Che lava via il polimero, che porta via solo i grandi fardelli, mentre i singoli nanotubi di carbonio rimangono attaccati al wafer. La tecnica porta a una riduzione di circa 250 volte la densità delle particelle sul chip rispetto a metodi simili.

Infine, i ricercatori hanno affrontato problemi funzionali comuni con i CNFET. Il calcolo binario richiede due tipi di transistor:tipi "N", che si accendono con 1 bit e si spengono con 0 bit, e tipi "P", che fanno il contrario. Tradizionalmente, realizzare i due tipi di nanotubi di carbonio è stato impegnativo, spesso producendo transistor che variano nelle prestazioni. Per questa soluzione, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica chiamata MIXED (per "ingegneria dell'interfaccia metallica incrociata con doping elettrostatico"), che sintonizza con precisione i transistor per la funzione e l'ottimizzazione.

In questa tecnica, attaccano determinati metalli a ciascun transistor, platino o titanio, il che consente loro di fissare quel transistor come P o N. Quindi, rivestono i CNFET in un composto di ossido attraverso la deposizione di strati atomici, che consente loro di sintonizzare le caratteristiche dei transistor per applicazioni specifiche. Server, ad esempio, spesso richiedono transistor che agiscono molto velocemente ma consumano energia e potenza. Indossabili e impianti medici, d'altra parte, può usare più lentamente, transistor a bassa potenza.

L'obiettivo principale è portare i chip nel mondo reale. A quello scopo, 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 ha sostenuto la ricerca. Anche se nessuno può dire quando i chip realizzati interamente con nanotubi di carbonio arriveranno sugli scaffali, Shulaker dice che potrebbero essere meno di cinque anni. "Pensiamo che non sia più una questione di se, ma quando, " lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.