重大突破！麻省理工学院开发了一种新型碳纳米管微处理器。
背景
晶体管是现代人类历史上最伟大的发明之一。电脑、智能手机、智能硬件等现代电子设备都离不开晶体管。集成电路技术出现后，大量的晶体管可以封装在一个指甲盖大小的芯片中。这个晶体管由源极、漏极和位于它们之间的栅极组成。电流从源极流向漏极，栅极控制电流开关。
著名的摩尔定律指出:“在价格不变的情况下，每18个月，一个集成电路上可以容纳的晶体管数量就会增加一倍，性能也会提高一倍。”正如摩尔定律所预言的，晶体管的尺寸在缩小，单个芯片上集成的晶体管数量在增加，可以进行越来越复杂的运算。
但近年来，摩尔定律面临着严峻的挑战。传统的晶体管主要由硅材料制成。对于硅晶体管，7纳米是物理极限。一旦硅晶体管的尺寸低于这个数字，由于“量子隧道效应”，电子将不再受欧姆定律的约束，穿越原本无法穿越的势垒。这会造成集成电路的漏电，使晶体管不可靠。
为了解决上述问题，保持摩尔定律的生命力，工业界和科学界的有识之士开始积极寻找新材料。这些材料的目标是取代硅，生产尺寸更小、性能更好、功耗更低的新一代晶体管。
比如作者曾经介绍过，劳伦斯伯克利国家实验室利用碳纳米管和二硫化钼研制出世界上最小的晶体管，其晶体管制造工艺只有1 nm。
再比如，加拿大麦吉尔大学和蒙特利尔大学的研究表明，黑磷有望成为非常好的晶体管候选材料。此外，其他二维材料，如石墨烯、六方氮化硼、硒化钨等。，可以用来制造新的晶体管。
碳纳米管场效应晶体管(CNFET)的制造已经成为构建新一代计算机的主要目标之一。研究表明，CNFETs的能效是硅的十倍，运行速度更快。但是在量产中，这些晶体管通常会有很多影响性能的缺陷，这是不现实的。
该微处理器基于RISC-V开源芯片架构，该架构具有一组微处理器可以执行的指令。研究人员设计的微处理器可以准确地执行所有指令集，还可以执行经典“Hello，World！你好，世界！)”程序，打印出来:“你好，世界！我是RV 16 x nano，碳纳米管做的。(你好，世界！我是RV16XNano，碳纳米管做的。)"。
EECS电气工程与计算科学系助理教授、微系统技术实验室成员、论文合著者马克斯·m·舒拉克尔(Max M. Shulaker)表示:“到目前为止，这是新兴纳米技术制造的最先进的芯片，有望实现高性能、高能效的计算。硅有局限性。因此，如果我们想在计算领域继续取得进步，碳纳米管是最有希望克服这些限制的方法之一。这篇研究论文彻底改变了我们用碳纳米管制作芯片的方式。”
这种微处理器是在六年前Shulaker和其他研究人员设计的迭代版本的基础上开发的。当时的版本只有178个CNFETs，只能运行在单比特数据上。从那以后，舒拉克尔和他在麻省理工学院的同事们开始应对碳纳米管微处理器制造过程中的三个独特挑战:材料缺陷、制造缺陷和功能问题。Gage Hills负责大部分处理器设计工作，而Christian Lau负责大部分制造工作。
舒拉克尔表示，碳纳米管的固有缺陷多年来一直是该领域的“祸根”。理想情况下，CNFETs需要半导体特性来开启或关闭其导电性，分别对应于该位是1还是0。但不可避免的是，少量的碳纳米管将是金属性的，这将减缓或阻止晶体管的开关。为了避免这些故障，先进的电路将需要纯度为99.999999%的碳纳米管，这在今天几乎是不可能生产的。
研究人员提出了一项名为Dream(设计抵抗金属碳纳米管的弹性的缩写)的技术。这种技术将金属CNFETs放置在不会干扰计算的位置。在这个过程中，他们将严格的纯度要求放宽了四个数量级，即1000倍，这意味着他们只需要纯度为99.99%的碳纳米管，目前就可以制备出来。
基本上，设计一个电路需要一个连接到晶体管的不同逻辑门的库，这些逻辑门可以组合在一起创建加法器和乘法器，就像将字母拼接成单词一样。研究人员发现，金属碳纳米管对这些逻辑门的不同组合有不同的影响。例如，逻辑门A中的单个金属碳纳米管可以断开逻辑门A和逻辑门B之间的连接..但是逻辑门B中的几个金属碳纳米管不会影响它们的连接。
在芯片设计中，有很多方法可以在电路上实现代码。研究人员模拟寻找所有不同的逻辑门组合，对于任何金属碳纳米管来说，这些组合可能是“鲁棒”或“不鲁棒”的。然后，他们定制了一个芯片设计程序，自动寻找最不可能受金属碳纳米管影响的组合。在设计新的芯片时，程序只会使用“健壮”的组合，而忽略有缺陷的组合。
舒拉克尔说:“双关语‘梦’非常有意义，因为它是每个人都梦寐以求的解决方案。这种方法允许我们购买现成的碳纳米管，放在晶片上，像往常一样构造我们的电路，而不需要做任何特殊的事情。”
CNFET的制造从在溶液中用预先设计的晶体管结构在晶片上沉积碳纳米管开始。但是，一些碳纳米管不可避免地会随机粘在一起，形成大束，就像意大利面条串成小球一样，在芯片上形成大颗粒的污染物。
为了去除这种污染物，研究人员发明了冲洗(通过选择性排除去除孵化的纳米管)技术。晶片将通过促进碳纳米管粘附的试剂进行预处理。然后，晶片被涂上一层聚合物，并浸入一种特殊的溶剂中。这样聚合物就可以被冲走，这些聚合物只能带走大束的碳纳米管，而单个的碳纳米管仍然会附着在晶片上。与其他类似方法相比，该技术可以将芯片上的粒子密度降低约250倍。
最后，研究人员解决了CNFET的常见功能问题。二进制计算需要两种类型的晶体管:“N”晶体管，on代表位为1，off代表位为0；“P”型晶体管则相反。传统上，用碳纳米管制造这两种类型的晶体管是一项具有挑战性的任务，因为通常会生产出不同性质的晶体管。为了解决这个问题，研究人员开发了一种名为mixed(金属界面工程与静电掺杂交叉)的技术，可以精确调整功能，优化晶体管。
在这项技术中，他们在每个晶体管上附着一些金属(铂或钛)，使晶体管固定为P或n，然后，他们通过原子层沉积在一种氧化物化合物上涂覆CNFET，从而调整晶体管的特性，以满足特定应用的需要。例如，服务器通常需要运行速度快但耗电量大的晶体管。另一方面，可穿戴设备和医疗植入物可能需要速度更慢、功耗更低的晶体管。
将来的
他们的主要目标是将芯片推向现实世界。为了实现这一目标，研究人员现在已经开始通过支持这项研究的美国国防部高级研究计划局的一个项目，将他们的制造技术应用到一家硅片代工厂。虽然没有人能确定完全由碳纳米管制成的芯片何时能上市。但舒拉克尔说:“可能会在五年内实现。我们认为这已经不是能否实现的问题，而只是何时实现的问题。
关键字
参考数据
1Gage Hills等.互补碳纳米管晶体管构建的现代微处理器，自然(2019)。DOI:10.1038/s 41586-019-1493-8
2 http://news . MIT . edu/2019/碳纳米管-微处理器-0828