摘要:北京8月28日消息,英国《自然》杂志近日发表了一项计算科学最新进展:美国麻省理工学院团队利用14000多个碳纳米管晶体管,制造出16位微处理器,并生成这样一条信息。其设计和制造方法克服了之前与碳纳米管相关的挑战,将为先进微电子装置中的硅带来一种高效能替代品。

北京8月28日消息,英国《自然》杂志近日发表了一项计算科学最新进展:美国麻省理工学院团队利用14000多个碳纳米管晶体管,制造出16位微处理器,并生成一条信息。其设计和制造方法克服了之前与碳纳米管相关的挑战,将为先进微电子装置中的硅带来一种高效能替代品。

性能远超越硅材料?首款碳纳米管RISC-V处理器面世-芯智讯

我们都知道,集成电路是现代信息技术的基石,随着摩尔定律逐渐逼近极限,芯片想要做得更小,硅材料在散热、功耗等方面就会呈现出短板。早在2006年,国际半导体技术路线图委员会就认为,摩尔定律将在2020年达到极限。故此,他们认为碳基纳电子学(包括碳纳米管和石墨烯)作为可能在未来五至十年内显现出商业价值的下一代技术。

 

而碳纳米管是一种潜在的可用于制造高效能器件的替代材料,又名巴基管,重量很轻,结构特殊——主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。目前碳纳米管已经表现出优异的力学和电学性能。根据测算,在步入10纳米技术节点后,碳纳米管的芯片性能和功耗都比硅芯片有了明显改善。例如,从硅基7纳米技术到5纳米技术,芯片速度大约提升20%,而碳纳米管基7纳米技术的芯片速度将提升300%。

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但碳纳米管自身的缺陷和可变性,限制了这些微型碳原子圆柱体在大规模系统中的应用。单壁碳纳米管按其卷曲方向有(n,m)两个参数,当(n-m)可以被3整除时,单壁碳纳米管是金属性的;反之则为半导体性的。金属性单壁碳纳米管的导电性与金属相同,电流随电压增大而线性增加;半导体性的则程非线性,且对门电压有明显响应。也就是说,不可避免地,一小部分碳纳米管将会呈现金属特性,并且将减慢或阻止晶体管切换。对于这些故障,先进的电路将需要纯度在99.999999%左右的碳纳米管,这在今天几乎是不可能生产的。

对此,麻省理工学院科学家马克斯·舒拉克及同事提出了一种名为DREAM (an acronym for “designing resiliency against metallic CNTs”)的技术,该技术以一种不会干扰计算的方式定位金属碳纳米管。在此过程中,他们将严格的纯度要求降低了约4个数量级,即10000倍,这意味着他们只需要纯度达到99.99%左右的碳纳米管,目前这是可以实现的。

设计电路基本上需要一个由连接到晶体管上的不同逻辑门组成的库,这些逻辑门可以组合在一起,例如,创建加法器和乘法器——就像组合字母表中的字母来创建单词一样。研究人员发现,金属碳纳米管对这些门的不同配对有不同的影响。例如,A门中的一个金属碳纳米管可能会破坏A和B之间的连接,但是B门中的几个金属碳纳米管可能不会影响A和B之间的任何连接。

在芯片设计中,有许多方法可以将代码实现到电路中。研究人员进行了模拟,发现所有不同的栅极组合对任何金属碳纳米管都是稳健的,而对任何金属碳纳米管都不具有鲁棒性。然后,他们定制了一个芯片设计程序,自动学习最不受金属碳纳米管影响的组合。在设计新芯片时,程序只利用稳健的组合,而忽略脆弱的组合。

该微处理器基于RISC-V开源芯片架构。研究团队将该微处理器命名为“RV16X-NANO”,并在测试中成功执行了一个程序,生成信息: “Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.”

研究人员总结称,鉴于这个微处理器的设计和制造采用了行业标准,因此这项研究为超越硅的电子学指明了一个富有前景的发展方向。

 

编辑:芯智讯-林子