Представлен полностью рабочий процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок

Процессор на транзисторах их углеродных нанотрубок (MIT)

Напомним, стартап SkyWater совместно с компанией Analog Devices разрабатывают технологию изготовления многослойных микросхем на основе транзисторов из углеродных нанотрубок. На конференции DARPA в середине июня глава SkyWater и сотрудник MIT Макс Шулакер (Max Shulaker) показал первую выпущенную на производстве кремниевую пластину с процессорами на углеродных нанотрубках. Статья в Nature, судя по всему, проливает свет на эту разработку.






Использование новых материалов для выпуска чипов необходимо по той простой причине, что полупроводники исчерпали себя с точки зрения дальнейшего снижения норм технологического процесса. Это было ведь так просто! Уменьшай размер элемента на кристалле, а всё остальное ― производительность и потребление ― приложится. Увы, после снижения разрешения до единиц нанометров дальнейший прогресс стал невозможен. По крайней мере, за разумные деньги.




Углеродные нанотрубки с их чудесными электрическими свойствами и малыми размерами (до 2 нм в диаметре) обещают высокие токи и малые задержки в существенно меньшем объёме пространства затвора транзистора. Проблем в том, что углеродные нанотрубки сегодня ― это хаос в ориентации, объёме и в чистоте материала. Учёные пока не научились выращивать отдельные нанторубки в нужном месте (между затворами транзистора) с нужной ориентацией (от одного затвора к другому) и в необходимом количестве (в идеале ― одной трубки на транзистор). Разработка SkyWater ― это попытка борьбы с хаосом, которая похожа на положительный результат.

Разработчики создали техпроцесс, который можно реализовать на современном КМОП-производстве чипов. На кристалле обычными методами проецирования и травления создаются металлические контакты в виде затворов и проводников для сигналов и питания. Затем на кристалл осаждается массив углеродных нанотрубок, на который затем наносится специальный материал, играющий роль фоторезиста. Этот материал связывает нанотрубки и затем с помощью обработки ультразвуком выламывается вместе с ними в тех местах, где они не нужны.




Там где трубки нужны ― между затворами в качестве каналов транзисторов ― дополнительно происходит обработка фоторезиста с вымыванием значительной части лишних нанотрубок. То, что остаётся, работает в качестве каналов n- или p-типа. Проводимость (тип канала) определяется нанесением поверх наноторубок дополнительного оксидного слоя. Это аналогично легированию полупроводников, поскольку в сами нанторубки невозможно внести дополнительные примеси.

Остаётся проблема с чистотой материала. Для полупроводников чистота важна, но это требование не столь сильно, как в случае наноторубок. Среди углеродных нанотрубок могут попадаться металлические. Если в затворе транзистора будет даже одна металлическая нанотрубка из сотен тысяч, то она значительно изменит характеристики транзистора. Победить это невозможно, но можно возглавить. Разработчики научились использовать такие «дефектные» транзисторы при проектировании чипа и они нормально работают в логике схемы.

Итак, что же в результате получилось? На основе транзисторов на углеродных нанотрубках группа Макса Шулакера с использованием открытого набора команд RISC-V создала 32-битный процессор с 16-битной адресацией памяти. Процессор содержит свыше 14 000 транзисторов, каждый из которых полностью рабочий, что подтверждается отработкой программы с выводом фразы «Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.». Транзисторы сгруппированы в инверторы, а из инверторов построена остальная необходимая логика. Процессор отрабатывает обычные 32-битные инструкции RISC-V без каких-либо модификаций. Конечно, 14K транзисторов ― это не то, что хотелось бы увидеть, но с чего-то ведь надо начинать?