Учёные представили 16-битный микропроцессор, собранный из свыше четырнадцати тысяч углеродных нанотрубок. Он может исполнять все форматы и типы команд в архитектуре набора команд RISC-V.
В настоящее время компьютерная индустрия основывается на кремниевых транзисторах, являющихся ключевой частью микропроцессора, осуществляющего переключение между нулями и единицами для проведения вычислений.
Металл-оксид-кремиевые полевые транзисторы (МОП-транзисторы) принесли переворот в электронике. С 1960 по 2018 год было произведено около тринадцати секстиллионов МОП-транзисторов.
По прогнозу Гордона Мура, соучредителя Intel, количество транзисторов на квадратную единицу на интегральных схемах удваивается каждый год на протяжении последних шести десятилетий. Однако многие специалисты, в том числе и Мур сам, полагают, что этот прогноз сохранится до 2020-2025 годов.
В ближайшем времени уменьшать размеры кремниевых транзисторов больше не получится, поэтому учёные разрабатывают замены, способные соответствовать всё более высоким требованиям к вычислениям.
В результате многолетних исследований специалисты из MIT представили функциональный микропроцессор на базе транзисторов с углеродными нанотрубками. Примечательно, что такой микропроцессор можно производить при помощи стандартных технологий изготовления кремниевых интегральных схем.
Что именно они сделали?
Нам нужно знать, что такое углеродные нанотрубки: свернутая версия графена, которая может показывать исключительную электро-, теплопроводность и прочность на растяжение из-за крошечной структуры и прочности связей между атомами углерода.
Углеродные нанотрубки сохраняют бинарные состояния, формирующие современную вычислительную архитектуру. Представляя собой выдающуюся нанотехнологию, эту структуру рассматривают в качестве энергоэффективной основы электронных систем будущего: более экологичных и быстрых замен традиционным кремниевым транзисторам.
В течение многих лет ученые стремятся создать CNFET (полевые транзисторы с углеродными нанотрубками) из-за их потенциальной энергоэффективности, которая может быть в 10 раз выше по сравнению с кремниевыми микропроцессорами. Но процесс производства остается нереалистичным: при масштабном производстве транзисторы проявляют различные дефекты.
Исследователи обнаружили новые методы, сокращающие количество дефектов и обеспечивающие полный контроль при производстве CNFET с использованием существующих процессов изготовления. Успешно создан 16-битный микропроцессор из более чем 14 тысяч углеродных нанотрубок.
Его работа аналогична функционированию современных микропроцессоров. Учёные подтвердили работоспособность, выполнив все типы команд по архитектуре RISC-V.
Как они сделали чип из углеродной нанотрубки?
Углерод может образовывать различные структуры. Например, под высоким давлением образуется алмаз. Подобным образом изготавливают углеродные нанотрубки: смешивают графит с гелием и катализаторами при высоких температурах и давлении.
Результатом может оказаться не всегда чистое нанотрубка. Углеродные нанотрубки иногда ведут себя как проводники, у которых невозможно выключить проводимость. Для создания чипов эти нанотрубки должны функционировать исключительно в качестве полупроводников.
Исследователи утверждают, что достичь 100% углеродных нанотрубок с полупроводниковыми свойствами практически невозможно, но можно добиться почти 99,99%.
Специальное решение позволило разделить металлические нанотрубки от полупроводниковых, после чего полимер устранл последующие дефекты. Нанотрубки готовились к сборке в чипы.
Нанотрубки разместили на подложке и объединили, создав полностью функционирующий чип. Успешно разработанный 16-битный чип содержит более 14 000 транзисторов. Это самый сложный микропроцессор на сегодняшний день. Предыдущий имел всего 178 транзисторов.
Четырнадцать тысяч – пока малое количество: современные процессоры содержат миллиарды транзисторов, так что CNFET ещё далеко не достиг конца своего пути. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности направления к более экологичным и эффективным электронным системам.
Углеродные нанотрубки превосходят кремний своими свойствами и малыми размерами. При экстремально низких температурах могут переходить в сверхпроводящее состояние, что повысит их энергоэффективность по сравнению с кремнием.
Помимо вычислительных функций, эти нанотрубки можно использовать в литий-ионных аккумуляторах для повышения их емкости, а также в биомедицинских устройствах и солнечных элементах.