Silicon提供了信息时代,但它达到了物理限制。如果我们可以绕过一些关键障碍,碳纳米管(CNT)将很多承诺作为替代品 - 新芯片的设计师似乎已经完成了。

几十年来,计算机的能力稳步提高摩尔定律,这认为芯片中的晶体管数量大约每两年加倍。这是通过这些晶体管的逐步缩收来实现的,但是当它们接近几十个原子的等级时,就有一个标记放慢速度在这一趋势。

这是促使在光学计算等领域的促进研究的传统硅芯片的继承人搜索了一个继承者,这神经形态芯片以及由奇异的新材料制成的处理器。

更有前途的候选人之一是由CNT制成的芯片,具有几个应为高性能,节能处理器提供的属性。这些原子薄的碳板的微小管尺寸仅为纳米,运输电荷载流子也很快,也是优质的半导体,这意味着它们可以均匀地进行电并就像硅一样。

IBM在20年前就制造出了第一个碳纳米管晶体管,但迄今为止,利用碳纳米管制造大规模处理器的尝试一直受到制造和纯度问题的困扰。现在科学家已经证明一个16位微处理器由超过14000个碳纳米管晶体管组成,这些晶体管成功地执行了一个程序,产生了“Hello, World!”我是RV16XNano,由CNTs制成。”

虽然16位仍然很小,但与项目负责人马克斯·舒拉克(Max Shulaker)与其他研究人员在2013年制造的1位178晶体管相比,这是一个巨大的飞跃。更重要的是,a中描述的芯片最近的纸张自然使用行业标准的设计流程构建,表明该技术有可能扩大到商业生产。

这对该组织的资助者DARPA来说至关重要投资6100万美元去年作为其一部分的项目电子复兴倡议。该项目的目标是在商业半导体工厂制造3D堆叠碳纳米管电路。

制造硅的高温意味着不可能将电路叠层在一起,但用于加工碳纳米管的较低的加工温度应该使其可行。将电路带入三维空间可以让设计者在芯片中压缩更多的计算能力。

不过,要想绕过之前曾阻碍CNT芯片尝试的障碍,需要一些创造性思维。最大的问题是纯度;制作碳纳米管的过程并不是完美无缺的,一小部分碳纳米管最终会产生缺陷像一个完全导电的金属而不是半导体。

太多这样的金属碳纳米管会减缓或阻止晶体管从开到关的切换能力,这是二进制逻辑的核心过程。研究人员计算出需要99.999999%的纯度才能避免这种结果,但目前的工艺只能产生99.99%的纯度。

解决这个问题的关键是实现逻辑栅极的不同组合(为执行特定操作而设计的晶体管组)比其他组合更容易受到金属碳纳米管的影响。这导致该团队创建了一套设计规则,避免易受攻击的组合,使他们仍然可以构建99.99%纯度的功能电路。

他们必须解决的另一个问题是,当把碳纳米管应用到支撑电路的硅片上时,碳纳米管会聚集在一起,导致大块的碳纳米管无法形成晶体管。研究小组创造了一种剥落过程,从本质上洗去了这些大包裹。

最终突破是可靠地创建两个必需晶体管类型的方法:当它们接收0时接收1作为输入和关闭时,它们会导通,然后达到相反的“P”类型。使用CNT的两种类型都是棘手的,之前的芯片仅由P型晶体管组成。但研究人员提出了一种方法来固定具有不同金属的晶体管以可靠地确定其类型。

该小组目前正致力于将他们的制造技术应用于一家硅芯片厂,舒拉克认为,商用产品可能在五年内实现。在一个本刊评论自然不过,慕尼黑工业大学的弗朗茨·克鲁普(Franz Kreupl)认为,还有一段路要走。

他写道,虽然这项研究克服了创建一个功能性CNT处理器的主要障碍,但要使一个真正有用还需要进一步的工作。新芯片可以与英特尔1985年生产的80386处理器相媲美,但80386处理器的工作频率为16兆赫,而新CNT芯片的工作频率仅为1兆赫。

这是因为你可以切换晶体管的速度取决于它的组件可以存储多少电荷,而新芯片中使用的碳纳米管晶体管只能存储硅晶体管的一小部分。

KREUPL建议可以提高这些方法可以降低CNT的长度和宽度并提高它们的密度,但补充说,未来的大规模CNT计算机将需要晶体管,只需具有可靠半导体的单个纳米管。这表明该集团的设计基础解决方法可能有其限制,并且仍可能需要击中严格的纯度要求。

“作者的工作是一种伟大的成就,涉及许多研究主题 - 从材料科学到加工技术,以及从电路设计到电气测试,”kreupl。金宝博平台“然而,在团队需要销售部门之前需要更多的努力。”

图片来源:菲利斯弗兰克尔,麻省理工学院/CC BY-NC-ND 3.0

我是一名自由科技作家,住在印度班加罗尔。我的主要兴趣领域是工程学、计算机和生物学,尤其关注这三者之间的交叉点。

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