麻省理工学院的工程师们用碳纳米管制造了先进的微处理器

经过多年的设计和制造挑战，麻省理工学院的研究人员用碳纳米管晶体管制造出了一种现代微处理器。人们普遍认为，与传统的硅材料相比，碳纳米管晶体管是一种更快、更环保的替代品。

今天发表在《自然》(Nature)杂志上的这款微处理器，可以使用传统的硅芯片制造工艺来制造，这是使碳纳米管微处理器更加实用的重要一步。

硅晶体管——在1位和0位之间进行计算转换的关键微处理器组件——已经在计算机行业中存在了几十年。正如摩尔定律所预测的那样，业界已经能够缩小规模，每隔几年就在芯片上塞入更多的晶体管，以帮助进行日益复杂的计算。但专家们现在预测，有一天硅晶体管将停止收缩，变得越来越低效。

制造碳纳米管场效应晶体管(CNFET)已成为下一代计算机的主要目标。研究表明，与硅相比，cnfts具有10倍左右的能源效率和更快的速度。但是，当大规模生产时，晶体管往往有许多影响性能的缺陷，因此它们仍然不切实际。

麻省理工学院的研究人员利用传统硅芯片铸造厂的工艺，发明了新技术，极大地限制了缺陷，并实现了cnfet制造过程中的全功能控制。他们展示了一种16位微处理器，具有超过14000个cnfts，可以执行与商用微处理器相同的任务。《自然》杂志的论文描述了微处理器的设计，包括70多页的详细制造方法。

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。研究人员的微处理器能够准确地执行整套指令。它还执行了经典的“Hello, World!”程序，打印出来，“你好，世界!”我是由碳纳米管制成的RV16XNano。”

”这是到目前为止最先进的芯片由任何新兴纳米技术前景的高性能和节能计算,”合著者马克斯·m . Shulaker说,伊曼纽尔E同胞的电气工程和计算机科学助理教授职业发展(电)和微系统技术实验室的成员。“硅是有限制的。如果我们想在计算领域继续取得进展，碳纳米管是最有希望克服这些限制的方法之一。这篇论文彻底改变了我们用碳纳米管制造芯片的方式。”

论文中加入舒拉克团队的有:第一作者兼博士后盖奇·希尔斯、研究生克里斯蒂安·刘、安德鲁·赖特、明迪·毕晓普、塔塔·斯里马尼、普里帕尔·坎海亚、丽贝卡·何和亚娅·阿默尔，所有的EECS;约翰逊计算机科学与工程教授、计算机科学与人工智能实验室研究员;工程学院院长、电子工程和计算机科学Vannevar Bush教授Anantha Chandrakasan;塞缪尔·富勒，尤西·斯坦，丹尼斯·墨菲，都是模拟设备。

与CNFETs的“祸根”战斗

该微处理器是在舒拉克和其他研究人员六年前设计的上一个版本的基础上开发的，该版本只有178 cnfet，运行在单个位数据上。从那时起，舒拉克和他在麻省理工学院的同事们就开始着手解决生产这种设备的三个具体挑战:材料缺陷、制造缺陷和功能问题。希尔斯负责大部分微处理器的设计，而刘则负责大部分的制造工作。

多年来，碳纳米管固有的缺陷一直是“这个领域的祸根”，舒拉克说。理想情况下，cnfts需要半导体特性来开关电导率，对应于位元1和位元0。但不可避免的是，一小部分碳纳米管将是金属的，并将减缓或阻止晶体管的开关。为了对这些故障保持强健，先进的电路将需要纯度在99.999999%左右的碳纳米管，而这在今天几乎是不可能生产的。 

研究人员提出了一种名为DREAM(“设计针对金属碳纳米管的弹性”的缩写)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，目前这是可能的。

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鲁棒的，而对任何金属碳纳米管都不是。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，程序只利用鲁棒组合，而忽略了易受攻击的组合。

舒拉克说:“‘梦想’这个双关语非常有意义，因为它是梦想的解决方案。”“这让我们可以买到现成的碳纳米管，把它们放到晶圆片上，就像平常一样构建我们的电路，而不需要做任何特殊的事情。”

去死皮和调优

CNFET的制造始于将碳纳米管在溶液中沉积到具有预先设计的晶体管结构的晶圆上。然而，一些碳纳米管不可避免地会随机地粘在一起，形成大束，就像意大利面串成小球一样，在芯片上形成大颗粒污染物。 

为了净化污染，研究人员发明了RINSE(用于“通过选择性去角质去除培养的纳米管”)。晶圆片用一种促进碳纳米管粘附的试剂进行预处理。然后，在晶圆上涂上某种聚合物，并浸入一种特殊的溶剂中。这样一来，聚合物就会被冲走，而聚合物只能带走大的碳束，而单个碳纳米管则会留在晶片上。与类似的方法相比，该技术使芯片上的颗粒密度降低了约250倍。

最后，研究人员解决了cnfts常见的功能问题。二进制计算需要两种类型的晶体管:“N”型晶体管和“P”型晶体管，“N”型晶体管的开关为1位，“P”型晶体管的开关为0位。传统上，用碳纳米管制造这两种类型的晶体管一直具有挑战性，通常会产生性能各异的晶体管。为了解决这个问题，研究人员开发了一种名为“混合”的技术(用于“金属界面工程与静电掺杂的交叉”)，它可以精确地调整晶体管的功能和优化。

在这种技术,他们把每个晶体管-铂或某些金属钛——允许他们解决晶体管P和n .那么,他们外套CNFETs通过原子层沉积氧化的化合物,它允许他们调整晶体管的特性为特定的应用程序。例如，服务器通常需要性能非常快的晶体管，但它会消耗能量和电能。另一方面，可穿戴设备和医用植入物可能使用速度较慢、功率较低的晶体管。 

其主要目标是将芯片推向现实世界。为了达到这个目的，研究人员现在已经通过美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)资助的一个项目，开始将他们的制造技术应用到一家硅芯片铸造厂。虽然没有人能说什么时候完全由碳纳米管制成的芯片会上市，但舒拉克说，这可能不到五年。他表示:“我们认为，问题不再是如果，而是何时。”

这项工作还得到了模拟设备、国家科学基金会和空军研究实验室的支持。