How engineers build advanced microprocessors from carbon nanotubes

Πώς οι μηχανικοί κατασκευάζουν προηγμένους μικροεπεξεργαστές από νανοσωλήνες άνθρακα

Στοιχεία μικροεπεξεργαστών βασισμένα σε ένα τρανζίστορ πυριτίου που μετατρέπουν μεταξύ 1 έως 0 bits για να ολοκληρώσουν τους υπολογισμούς – έχουν ωθήσει τη βιομηχανία υπολογιστών εδώ και δεκαετίες.

Όπως προβλέπει ο νόμος του Moore, ο κλάδος είναι σε θέση να συρρικνώνει περισσότερα τρανζίστορ στα τσιπ κάθε δύο χρόνια για να βοηθήσει να ολοκληρώσει όλο και πιο περίπλοκους υπολογισμούς.

Ωστόσο, οι ειδικοί αναμένουν τώρα μια στιγμή κατά την οποία τα τρανζίστορ πυριτίου θα σταματήσουν να συρρικνώνονται και θα γίνονται ολοένα και πιο αναποτελεσματικά.

Η δημιουργία τρανζίστορ επιφανειακών επιφανειών νανοκλίμακας (CNFETs) έχει γίνει ένας από τους κύριους στόχους της κατασκευής υπολογιστών νέας γενιάς.

Η έρευνα δείχνει ότι το CNFET έχει ιδιότητες που υπόσχονται ενεργειακή απόδοση και ταχύτητα 10 φορές υψηλότερη από το πυρίτιο.

Αλλά όταν είναι χτισμένα σε μεγάλη κλίμακα, τα τρανζίστορ έρχονται συχνά με πολλά ελαττώματα που επηρεάζουν τις επιδόσεις, επομένως δεν είναι πρακτικά.

Οι ερευνητές του MIT επινόησαν νέες τεχνολογίες για να μειώσουν δραματικά τα ελαττώματα και να ελέγξουν πλήρως την κατασκευή CNFETs χρησιμοποιώντας συμβατικές διαδικασίες χύτευσης με γκοφρέτα πυριτίου.

Έδειξαν έναν μικροεπεξεργαστή 16-bit με περισσότερα από 14.000 CNFETs που τρέχουν σαν εμπορικός μικροεπεξεργαστής.

Το φύλλο φύσης περιγράφει τον σχεδιασμό του μικροεπεξεργαστή και αποτελείται από περισσότερες από 70 σελίδες που περιγράφουν λεπτομερώς τη διαδικασία κατασκευής.

Ο μικροεπεξεργαστής βασίζεται στην αρχιτεκτονική τσιπ ανοιχτού κώδικα RISC-V, με ένα σύνολο οδηγιών που μπορεί να υλοποιήσει ο μικροεπεξεργαστής.

Οι μικροεπεξεργαστές επιτρέπουν στους ερευνητές να εκτελούν σωστά το σύνολο των οδηγιών. Αυτό το κλασικό “Γεια σου, κόσμος!” Εκτελεί επίσης μια τροποποιημένη έκδοση του. Πρόγραμμα, εκτύπωση, “Γεια σας, κόσμο! Είμαι RV16XNano, κατασκευασμένο από CNTs.”

“Είναι το πιο προηγμένο τσιπ από οποιαδήποτε αναδυόμενη νανοτεχνολογία που υπόσχεται υπολογιστές υψηλών επιδόσεων, υψηλής ενεργειακής απόδοσης”, συν-συγγραφέας Max.

Λέει ο Shulkar, επίκουρος καθηγητής ανάπτυξης καριέρας στο Emmanuel E. Landsman, Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών.

Μέλος των Εργαστηρίων Επιστημών (EECS) και της Τεχνολογίας των Μικροσυστημάτων. “Εάν έχουμε να συνεχίσουμε να υπολογίζουμε, οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούν έναν από τους πιο ελπιδοφόρους τρόπους για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί.

Συμπεριλαμβανομένου του Schukrecker σε χαρτί: πρώτος συγγραφέας και μεταδιδακτορικός Gage Hills, μεταπτυχιακοί φοιτητές Christian Lau, Andrew Wright, Di Mindy.

Αρχιεπίσκοπος, Ταταγάτα Σριμάνι, Πρίτπαλ Κανχάγια, Ρεμπέκα Χο, Αγια Αμερε, όλες οι χώρες της ΕΟΚ. Arvind, καθηγητής πληροφορικής και μηχανικής στο Johnson και ερευνητής στο Εργαστήριο Πληροφορικής και Τεχνητής Νοημοσύνης. Anant Chandrakasan, Κοσμήτορας της Πολυτεχνικής Σχολής. Ο Yossi Stein και ο Dennis Murphy είναι όλες αναλογικές συσκευές.

Καταπολέμηση “απαγόρευσης” CNFETs

Ο μικροεπεξεργαστής στηρίζεται σε μια προηγούμενη επανάληψη που σχεδιάστηκε από τον Schuler και πριν από έξι χρόνια από άλλους ερευνητές που είχαν μόνο 178 CNFETs και εκτελέστηκαν σε ένα κομμάτι δεδομένων.

Από τότε, ο Shulkar και οι συνεργάτες του στο MIT αντιμετώπισαν τρεις συγκεκριμένες προκλήσεις στην κατασκευή εξοπλισμού: φυσικά ελαττώματα, κατασκευαστικά ελαττώματα και λειτουργικά προβλήματα.

Ο Χιλς έκανε σπουδαία δουλειά στο σχεδιασμό μικροεπεξεργαστών, ενώ το Λάος ανέλαβε τις περισσότερες διαδικασίες κατασκευής.

Για χρόνια, το βασικό εμπόδιο για τους νανοσωλήνες άνθρακα υπήρξε “περιορισμός περιοχών”, λέει ο Shulkar. Στην ιδανική περίπτωση, τα CNFETs απαιτούν ιδιότητες ημιαγωγών για να κλείσουν τη δική τους αγωγιμότητα που αντιστοιχεί στο Pequen 1 και 0. Θα δώσει.

Για αυτές τις αποτυχίες να είναι δυνατές, τα προηγμένα κυκλώματα απαιτούν νανοσωλήνες άνθρακα με καθαρότητα 99,999999 τοις εκατό, το οποίο είναι σχεδόν αδύνατο να παραχθεί σήμερα.

Οι ερευνητές έχουν καταλήξει σε μια τεχνική που ονομάζεται DREAM (“συντομογραφία για ευέλικτο σχεδιασμό έναντι μεταλλικών CNT”), η οποία κρατά τα μεταλλικά CNFETs με τρόπο που δεν διαταράσσει τον υπολογισμό.

Με αυτόν τον τρόπο, ζήτησαν την άκαμπτη καθαρότητα κατά τέσσερις τάξεις μεγέθους ή 10.000 φορές – αυτό σημαίνει ότι χρειάζονται μόνο νανοσωλήνες άνθρακα με καθαρότητα 99,99 τοις εκατό, η οποία είναι επί του παρόντος δυνατή.

Ο σχεδιασμός του κυκλώματος απαιτεί ουσιαστικά μια βιβλιοθήκη διαφορετικών λογικών πύρων συνδεδεμένων με τρανζίστορ που, όπως αλφαβητικά σύνολα, μπορούν να προσθέσουν προσθήκες και πολλαπλασιαστές για να σχηματίσουν λέξεις.

Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα επηρέασαν διαφορετικά ζεύγη από αυτές τις πύλες.

Για να καθαρίσουν αυτή τη μόλυνση, οι ερευνητές δημιούργησαν το RINSE (“για την αφαίρεση των νανοσωλήνων εξάχνωσης μέσω επιλεκτικής χαλάρωσης”).

Το δισκίο εγχύεται με έναν παράγοντα που ενισχύει την πρόσφυση των νανοσωλήνων άνθρακα. Μετά από αυτό, το πλακίδιο επικαλύπτεται με σταθερό πολυμερές και βυθίζεται σε ειδικό διαλύτη.

Αυτό το πολυμερές πλένει, αφαιρώντας μόνο μεγάλες δοκούς, ενώ μεμονωμένοι νανοσωλήνες άνθρακα προσκολλώνται στο δίσκο. Αυτή η τεχνική μειώνει την πυκνότητα των σωματιδίων στο τσιπ περίπου 250 φορές σε σύγκριση με παρόμοιες μεθόδους.

Τέλος, οι ερευνητές αντιμετώπισαν κοινά λειτουργικά προβλήματα με το CNFET. Ο δυαδικός υπολογισμός απαιτεί δύο τύπους τρανζίστορ: πληκτρολογήστε “n”, το οποίο είναι ενεργοποιημένο με 1 bit και απενεργοποιείται χρησιμοποιώντας 0 bit και πληκτρολογήστε “p”, το οποίο κάνει το αντίθετο.

Παραδοσιακά, η δημιουργία δύο τύπων νανοσωλήνων άνθρακα ήταν δύσκολη, συχνά δημιουργώντας τρανζίστορ που διαφέρουν ως προς την απόδοση.

Για τη λύση αυτή, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια τεχνική που ονομάζεται MIXED (“cross-metal engineering interfacing χρησιμοποιώντας ηλεκτροστατικά διεγερτικά”), η οποία εξομαλύνει τα τρανζίστορ για λειτουργικότητα και βελτιστοποίηση.

Σε αυτήν την τεχνική, προσθέτουν μερικά μέταλλα σε κάθε τρανζίστορ – πλατίνα ή τιτάνιο – που τους επιτρέπει να διορθώσουν αυτό το τρανζίστορ, όπως P ή N.

Για παράδειγμα, οι διακομιστές απαιτούν συχνά τρανζίστορ που λειτουργούν πολύ γρήγορα αλλά χρησιμοποιούν ενέργεια και ενέργεια. Από την άλλη πλευρά, φορητές συσκευές και ιατρικά εμφυτεύματα μπορεί να χρησιμοποιούν χαμηλής ισχύος αργούς τρανζίστορ.

Ο κύριος στόχος είναι να βγάλουμε μάρκες στον πραγματικό κόσμο. Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές άρχισαν τώρα να εφαρμόζουν την τεχνική παρασκευής τους στο χυτήριο πλακιδίων πυριτίου μέσω ενός προγράμματος της Υπηρεσίας Έρευνας Έργων Άμυνας, το οποίο στήριξε την έρευνα.

Ενώ κανείς δεν μπορεί να πει πότε τα τσιπ που κατασκευάζονται εξ ολοκλήρου από νανοσωλήνες άνθρακα συγκρούονται στα ράφια, ο Shulkar λέει ότι θα μπορούσε να είναι λιγότερο από πέντε χρόνια. “Νομίζουμε ότι δεν είναι μια ερώτηση τώρα, αλλά πότε,” λέει.

Leave a Comment