我們不斷縮小硅基處理器功能帶來的可能性似乎已成為過去時，材料科學(xué)家如今正在考慮如何制造新型芯片，突破硅芯片的種種限制。在這個過程中，碳納米管成為了一個重要的選擇，它自然地以半導(dǎo)體形式存在，具有出色的電性能，并且非常小。但此前，大多研究人員都發(fā)現(xiàn)——制造芯片時，要將納米管這種“挑剔”的材料放到“正確”的位置，操作簡直太難了！

不過，最近來自MIT的研究人員和ADI公司的科學(xué)家聯(lián)手創(chuàng)造了奇跡——他們成功打造出一個完全由碳納米晶體管構(gòu)成的16位微處理器，它包含了14000多個碳納米管（CNT）晶體管。史上最大的碳納米管計算機芯片終于問世！

（圖源：MIT）

“Hello, World！I am RV16XNano, made from CNTs.”“你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成。”這句話是最新芯片執(zhí)行的一項程序，它用這種方式，和世界宣告了自己的誕生！

目前，這一成果已經(jīng)發(fā)表在《自然》（Nature）上。在8月29日發(fā)表的論文中，《自然》對這一原型進行了描述，它尚未像商用硅器件那樣快速或小巧，但碳納米管計算機芯片最終可能會產(chǎn)生新一代更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品。該研究的第一作者為Gage Hills（博士后研究員）和Christian Lau（碩士研究生，負(fù)責(zé)制造），通訊作者為Max M. Shulaker（助理教授）——都來自MIT。

用與硅相同的制作工藝，研究人員和科學(xué)家們“馴服”了碳納米管，使之脫胎成為具有完整架構(gòu)的芯片。這證明可以完全由碳納米管場效應(yīng)晶體管(CNFET)打造超越硅的微處理器，其設(shè)計和制造方法克服了之前與碳納米管相關(guān)的挑戰(zhàn)，有望為先進微電子裝置中的硅帶來一種高效能的替代品。那么，他們的“破局奧秘”關(guān)鍵在什么？

第一個解決關(guān)節(jié)是厘清納米管的“混亂”狀態(tài)。研究人員制造的硅表面具有足夠大的金屬特征，可以保證幾個納米管通常能夠彌合金屬之間的間隙，而不是試圖在每個需要的位置放置一根管子。為了去除聚集體，他們在納米管頂部沉積了一層材料，然后通過超聲將其破碎。這種材料帶有聚集體，但它使納米管的下層不受干擾。

“獲得最純凈的碳納米管組的最佳方法是將它們以溶液形式存在，”Shulaker的研究生助理之一Christian Lau表示。因此，該團隊將熔化后的納米管放入溶液中，將“金屬”納米管與半導(dǎo)體納米管分開。然后施加聚合物以幫助去除掉進一步的缺陷。

一旦納米管分離，它們就可以放置在基板上——將它們保持在適當(dāng)位置的表面——并構(gòu)建成一枚功能完備的芯片?；迳系募{米管分組，可以集成在一起以構(gòu)建更大的器件。

這不是第一個要制造的碳納米管微處理器，但它是最復(fù)雜的。例如，先前的器件具有178個晶體管。而這個16位芯片有超過14,000個。想想現(xiàn)代計算機處理器內(nèi)部有數(shù)十億個晶體管，即使在智能手機芯片中也是如此——因此碳納米管仍有很長的路要走。

但由于其緊湊的尺寸，納米管計算組件可以與線路上的硅組件集成，從而提高速度并縮小芯片的尺寸。碳納米管也可以在較低溫度下被推入超導(dǎo)狀態(tài)，這可能使它們比硅更節(jié)能。

接下來，為了將納米管限制在需要的地方——也就是“精準(zhǔn)植入”，研究人員只需將大部分納米管蝕刻掉，只留下需要的地方。然后，他們在納米管頂部添加了可變的氧化物層。氧化物的精確性質(zhì)與用于連接的不同金屬相結(jié)合，可以根據(jù)需要將納米管轉(zhuǎn)化為p型金屬氧化物半導(dǎo)體（PMOS）或n型金屬氧化物半導(dǎo)體（NMOS）。雖然這個過程更類似于摻雜一個恰好含有納米管的區(qū)域，但它可以有效地控制各個聯(lián)結(jié)點的行為。

為了實現(xiàn)這一里程碑，作者需要開發(fā)一種可行的納米管——晶體管技術(shù)，把對碳納米管嚴(yán)格的純度要求放寬了大約1萬倍，這意味著純度達(dá)到99.99％即可制作芯片，這在目前的技術(shù)下是可行的。該技術(shù)提供兩種晶體管：p型金屬氧化物半導(dǎo)體（PMOS）和n型金屬氧化物半導(dǎo)體（NMOS）。在數(shù)字電子學(xué)中，計算被分成一系列基本（邏輯）操作，這些操作由稱為邏輯電路的組件執(zhí)行。電子工業(yè)中這些電路的當(dāng)前設(shè)計基于互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)，其需要PMOS和NMOS晶體管。

（圖源：Nature）

當(dāng)負(fù)（或正）電壓施加到稱為柵極的電極時，PMOS（或NMOS）晶體管導(dǎo)通。該電極控制兩個其他電極（源極和漏極）之間的溝道（在這種情況下，由碳納米管形成）的導(dǎo)電性。當(dāng)PMOS晶體管和NMOS晶體管串聯(lián)互連時，結(jié)果是稱為反相器的元件。如果向這樣的逆變器施加低電壓，則輸出電壓將變高，反之亦然。這個元素是Hills和同事計算機中使用的所有邏輯電路的基本組成部分。

（圖源：Nature）

研究人員通過在基板上形成隨機分布的高純度（99.99％）半導(dǎo)體納米管網(wǎng)絡(luò)來制造晶體管。形成過程類似于將一碗煮熟的意大利式細(xì)面條倒在表面上，然后去除所有不與表面直接接觸的股線。結(jié)果是基底上覆蓋有大致單層的隨機取向的納米管。

然后將金屬沉積在納米管上以將它們連接到源極和漏極。這種金屬的功函數(shù)（從表面去除電子所需的能量）取決于器件是PMOS還是NMOS晶體管。作者用精心挑選和修剪的氧化物材料覆蓋了每個納米管的其余部分，以將納米管與周圍環(huán)境隔離并調(diào)整其性質(zhì)。原則上，基板不需要由硅制成；它只需要平坦。此外，由于處理在相對低的溫度（約200-325℃）下進行，因此可以容易地堆疊其他功能層。

具體而言，RV16XNano的面世三個內(nèi)在的挑戰(zhàn)：材料缺陷（無法控制直徑導(dǎo)致的金屬混雜）、制造缺陷（CNT聚集體導(dǎo)致成品失效）和可變性（實現(xiàn)CNT CMOS的技術(shù)面臨一系列限制）。

從晶體管到芯片

由此制造的元件被稱作碳納米管場效應(yīng)晶體管（CNFET），與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）類似，它是構(gòu)建下一代計算機的基本單元。

雖然芯片的功能單元執(zhí)行添加兩個數(shù)字的操作，但這些單元由較小邏輯門的集合構(gòu)成。通過CNFET的組合可以構(gòu)造出邏輯門。這些邏輯門執(zhí)行簡單的功能：NOT時就跳過一些值，而AND時產(chǎn)生值為“1”（當(dāng)兩個輸入值都是“1”時）。通常有多種方法來構(gòu)造這些邏輯門以形成相同的功能單元。因此，可以使用5個AND和7個NOR的正確排列來添加兩個數(shù)字，也可以使用6個NOT和4個NAND來完成。 （注意：這些數(shù)字完全可以相互彌合。）

研究人員關(guān)鍵的一個概念出發(fā)點在于——某些邏輯功能對金屬納米管的敏感度低于其他功能。因此，他們修改了一個開源RISC設(shè)計工具來考慮這些信息。結(jié)果就是，在芯片設(shè)計除去了對金屬碳納米管最敏感的柵極。

由此產(chǎn)生的芯片稱為RV16X-NANO，該芯片旨在處理RISC-V架構(gòu)的32位長指令。存儲器尋址限制為16位，功能單元包括指令獲取，解碼，寄存器，執(zhí)行單元和寫回存儲器?？傮w來看，RV16X-NANO使用了超過14,000個單獨的晶體管，并且碳納米管的操作使得它們產(chǎn)生100％的產(chǎn)率。換句話說，這14,000個晶體管中的每一個都有效，沒有一個報廢。

它也被認(rèn)為是一款“3D芯片”，因為納米管層下面的金屬觸點用于在不同晶體管之間交流信號，而在納米管上方分層的單獨金屬觸點層用于在芯片內(nèi)供電。

（圖源：MIT）

最值得點贊的是，這個做法居然很奏效！從上圖中可以看出，它成功地執(zhí)行了傳統(tǒng)“Hello World”程序的變體，該程序通常用作對不同編程語言語法的簡單介紹。

需要改進的地方

在他們的論文中，研究人員專注于改善現(xiàn)有設(shè)計的所有方法。例如，溝道長度是由納米管橋接的金屬觸點之間的距離。該長度有助于設(shè)置周期速度——對于RV16X-NANO，周期速度僅為10kHz。金屬觸點也必須非常寬，以確保有足夠的納米管橋連接它們。理論上我們知道兩者都有可能改進，并且通過這種方法提高周期速度是一個明確的選擇。

但由于這種設(shè)計需要加入金屬納米管，因此每個晶體管總是需要多個納米管。該設(shè)計還需要足夠?qū)挘沟镁哂幸恍┨幱诓涣既∠虻募{米管仍將留下足夠的空間以供其他人形成功能性接觸。這意味著功能必然會比我們想要的更大，并且需要更長時間才能在狀態(tài)之間切換。

想要通過架構(gòu)解決金屬納米管的晶體管數(shù)量瓶頸，也面臨著高成本的風(fēng)險，盡管這可能根據(jù)給定功能單元的目的而變化。

這些問題有不同的解決路徑去探討。這個過程沒有任何阻止納米管長度縮短的過程，這會導(dǎo)致周期速度的增加；這是研究人員可以立即嘗試的東西。如果我們能想出一種制造純半導(dǎo)體納米管源的方法，其他一些問題就會自行解決。這顯然是人們正在努力的事情，但在問題得到解決之前，這種設(shè)計仍將面臨“天花板”。

這其中最終的目標(biāo)是制造單納米管晶體管，這需要能夠控制它們在芯片上的位置。然而這項工作似乎沒有任何明確的顯示告訴我們，它可能在這點上得到改善。

總的來說，這是一項令人印象深刻的工程設(shè)計和重要的驗證，我們可以將碳納米管與我們現(xiàn)有的芯片制造工藝以及處理器運行所需的其他電子元件集成在一起。但在解決阻礙碳納米管充分發(fā)揮其潛力的問題方面，它還并沒有走得太遠(yuǎn)，商業(yè)化之路更是漫漫。根據(jù)MIT的報道，團隊的下一步目標(biāo)是將芯片推向現(xiàn)實世界。為了達(dá)到這個目的，他們已經(jīng)通過美國DARPA的一個項目將技術(shù)應(yīng)用到了硅芯片代工廠中，踐行研究。

在硅制微處理器中，摩爾定律——即處理器的速度和功率幾乎每兩年翻一番這個規(guī)律，一直被證明會發(fā)生，如今RV16X-NANO的誕生會成為撬動這一基點的“大殺器”嗎？我們拭目以待。

來源：前瞻網(wǎng)