Исследователи демонстрируют 16-битный микропроцессор, состоящий из более чем 14 000 углеродных нанотрубок. Он способен выполнять все форматы и типы команд в архитектуре набора команд RISC-V.
В настоящее время вся компьютерная индустрия основана на кремниевых транзисторах — наиболее важной части микропроцессора, который переключается между 0 и 1 битами для выполнения вычислений.
Полевые транзисторы металл-оксид-кремний (MOSFET) произвели революцию в области электроники. В период с 1960 по 2018 год было изготовлено около 13 секстиллионных МОП-транзисторов.
По прогнозу Гордона Мура, соучредителя Intel, число транзисторов на квадратную единицу на интегральных схемах удваивается каждый год за последние 6 десятилетий. Однако многие эксперты, в том числе и сам Мур, считают, что этот прогноз сохранится до 2020-2025 годов.
В ближайшем будущем станет невозможным дальнейшее сокращение размеров кремниевых транзисторов, и поэтому ученые работают над альтернативами, которые могут не отставать от все более сложных вычислительных требований.
После нескольких лет работы исследователи из MIT продемонстрировали функциональный микропроцессор из транзисторов с углеродными нанотрубками. Что действительно впечатляет, так это микропроцессор из углеродных нанотрубок, который может быть изготовлен с использованием обычных процессов производства кремниевых чипов.
Прежде всего, нам нужно знать, что такое углеродные нанотрубки? Они являются своего рода свернутой версией графена, который может демонстрировать исключительную электропроводность, теплопроводность и прочность на растяжение благодаря своей крошечной структуре и прочности связей между атомами углерода.
Углеродные нанотрубки способны удерживать бинарные состояния, которые составляют современные вычисления. Они являются выдающимися среди различных нанотехнологий, которые рассматриваются для энергоэффективных электронных систем следующего поколения, включая более экологичные и быстрые альтернативы обычным кремниевым транзисторам.
Ученые годами пытались создать CNFET (сокращение от полевых транзисторов с углеродными нанотрубками), потому что они могут быть в 10 раз более энергоэффективными, чем современные кремниевые микропроцессоры. Однако процесс их изготовления остается неосуществимым: транзисторы имеют различные дефекты при производстве в масштабе.
В этом исследовании исследователи обнаружили новые методы, позволяющие значительно сократить количество дефектов и обеспечить полный контроль при производстве CNFET с использованием существующих процессов изготовления. Им удалось построить 16-битный микропроцессор, состоящий из более чем 14 000 углеродных нанотрубок.
Он работает как современные микропроцессоры сегодня. Исследователи продемонстрировали его функциональность, запустив все форматы и типы команд в архитектуре набора команд RISC-V.
Обычно углерод собирается в разные формы. Например, под высоким давлением углерод превращается в алмаз. Таким же образом углеродные нанотрубки получают путем смешивания графита, газообразного гелия и некоторых катализаторов при интенсивно высоком давлении и температуре.
В результате получается не обязательно чистая нанотрубка. Иногда углеродные нанотрубки могут действовать как металлы, проводимость которых нельзя отключить. Для изготовления чипов эти нанотрубки должны быть только полупроводниками.
По словам исследователей, почти невозможно получить 100% углеродных нанотрубок в качестве полупроводниковых, хотя вы можете получить этот процент до 99,99%.
Команда использовала специальное решение для отделения металлических нанотрубок от полупроводниковых, а затем применила полимер для устранения дальнейших дефектов. Теперь нанотрубки были готовы к сборке в чипы.
Они поместили эти нанотрубки на подложку и объединили их вместе, чтобы создать полностью функционирующий чип. Они успешно разработали 16-битный чип с более чем 14 000 транзисторов. Это самый сложный микропроцессор на сегодняшний день. Предыдущая было только 178 транзисторов.
14 000 — все еще небольшое число: современные процессоры включают миллиарды транзисторов, поэтому CNFET еще предстоит пройти долгий путь. Результаты подтверждают перспективный путь к более экологичным и эффективным электронным системам.
Углеродные нанотрубки имеют преимущества перед кремнием благодаря своим уникальным свойствам и компактным размерам. Они также могут быть переведены в сверхпроводящие состояния при экстремально низких температурах, что в конечном итоге сделает их гораздо более энергоэффективными, чем кремний.
В дополнение к вычислительным компонентам эти нанотрубки могут быть интегрированы в литий-ионные аккумуляторы (для увеличения емкости хранения), а также в биомедицинские устройства и солнечные элементы.
