導(dǎo)讀

據(jù)美國麻省理工學(xué)院（MIT）官網(wǎng)近日報道，該校研究人員用碳納米管晶體管制作出一款新型微處理器。該微處理器被廣泛認(rèn)為是比傳統(tǒng)硅處理器更快速、更綠色的替代品。

背景

晶體管，是人類現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一?，F(xiàn)代電子設(shè)備例如電腦、智能手機(jī)、智能硬件等，都離不開晶體管。在集成電路技術(shù)出現(xiàn)以后，大量的晶體管可被封裝在一片指甲蓋大小的芯片內(nèi)。這種晶體管由源極、漏極和位于它們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流開關(guān)的作用。

著名的摩爾定律指出：“當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。”正如摩爾定律所預(yù)測的，如今晶體管的尺寸在不斷縮小，單顆芯片上集成的晶體管數(shù)量在不斷增加，可以開展越來越復(fù)雜的運(yùn)算。

但是近年來，摩爾定律正在面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的晶體管主要都是由硅材料制成的。對于硅晶體管來說，7納米堪稱物理極限。一旦硅晶體管的尺寸低于這個數(shù)字，由于“量子隧道效應(yīng)”，電子將不再受制于歐姆定律，穿越了本來無法穿越的勢壘。這樣會引起集成電路的漏電現(xiàn)象，讓晶體管變得不再可靠。

為了解決上述問題，讓摩爾定律繼續(xù)煥發(fā)生機(jī)與活力，產(chǎn)業(yè)界與科學(xué)界的有識之士們開始積極尋找新材料，這些材料的目標(biāo)就是取代硅，生產(chǎn)出尺寸更小、性能更佳、功耗更低的新一代晶體管。

例如，筆者曾經(jīng)介紹過美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室利用納米碳管與二硫化鉬研制出全球最小的晶體管，其晶體管制程僅為1納米。

又例如，加拿大麥吉爾大學(xué)和蒙特利爾大學(xué)的研究表明，黑磷有望成為晶體管的一種非常好的候選材料。此外，其他的二維材料，例如石墨烯、六方氮化硼、二硒化鎢等都可以用于打造新型晶體管。

其中，非常值得關(guān)注的材料之一就是碳納米管（CNTs）。從形狀上說，它主要是由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多卓越的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。

制造碳納米管場效應(yīng)晶體管（CNFET）已成為打造新一代計(jì)算機(jī)的主要目標(biāo)之一。研究表明，CNFETs 具有十倍于硅的能量效率，以及更快的運(yùn)行速度。但是大規(guī)模生產(chǎn)時，這些晶體管通常會具有許多影響性能的缺陷，顯得不切實(shí)際。

創(chuàng)新

近日，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員在花費(fèi)數(shù)年時間應(yīng)對設(shè)計(jì)與制造方面的挑戰(zhàn)之后，用碳納米管晶體管制作出一款新型微處理器。該微處理器被廣泛認(rèn)為是比傳統(tǒng)硅處理器更快速、更綠色的替代品。

8月28日，研究人員在《自然（Nature）》期刊上發(fā)表的論文中描述了這一微處理器。它采用傳統(tǒng)的硅芯片制造工藝制造，代表了朝著制造更加實(shí)用的碳納米管微處理器邁出了重要一步。

技術(shù)

MIT 的研究人員采用傳統(tǒng)硅芯片鑄造廠的工藝流程，發(fā)明了新技術(shù)，極大地限制了缺陷，并實(shí)現(xiàn)了 CNFETs 制造過程中的全功能控制。他們展示了一款具有14000個 CNFETs 的16位微處理器，它可以執(zhí)行與商用微處理器相同的任務(wù)。《自然》期刊上的相關(guān)論文描述了微處理器的設(shè)計(jì)，包括70多頁的詳細(xì)制造方法。

該微處理器基于 RISC-V 開源芯片架構(gòu)，該架構(gòu)具有一組微處理器可以執(zhí)行的指令。研究人員設(shè)計(jì)的微處理器可以準(zhǔn)確地執(zhí)行全部指令集，也執(zhí)行了修改版的經(jīng)典“Hello, World!（你好，世界?。?rdquo;程序，打印出：“Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.（你好，世界！我是 RV16XNano，由碳納米管制成。）”。

電氣工程與計(jì)算科學(xué)（EECS）系助理教授、微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成員、論文合著者 Max M. Shulaker 表示：“迄今為止，這是由新興納米技術(shù)制造出的最先進(jìn)的芯片，它有望實(shí)現(xiàn)高性能且高能效的計(jì)算。硅具有局限性。所以，如果我們想要在計(jì)算領(lǐng)域繼續(xù)取得進(jìn)展，碳納米管是最有希望克服這些局限的方法之一。研究論文徹底革新了我們用碳納米管制造芯片的方式。”

除掉 CNFETs 的‘禍根’

這款微處理器是 Shulaker 及其他研究人員在6年前設(shè)計(jì)的一個迭代版本基礎(chǔ)上開發(fā)的，當(dāng)時的版本只有178個 CNFETs，并只能在單比特數(shù)據(jù)上運(yùn)行。從那時起，Shulaker 和他在麻省理工學(xué)院的同事們就開始應(yīng)對碳納米管微處理器制造過程中的三個獨(dú)特的挑戰(zhàn)：材料缺陷、制造缺陷和功能問題。Gage Hills 負(fù)責(zé)大部分的處理器設(shè)計(jì)工作，而 Christian Lau 則負(fù)責(zé)大部分的制造工作。

Shulaker 表示，多年來，碳納米管的固有缺陷一直是這個領(lǐng)域的“禍根”。理想情況下，CNFETs 需要半導(dǎo)體特性來打開或者關(guān)閉其導(dǎo)電性，分別與比特位是1或0相對應(yīng)。但不可避免的是，一小部分的碳納米管將會具有金屬性，從而減緩或者阻止晶體管的開關(guān)。為了避免這些失敗，先進(jìn)的電路將需要純度達(dá)99.999999%的碳納米管，而這在現(xiàn)今幾乎是不可能生產(chǎn)出來的。

研究人員提出了一項(xiàng)稱為 DREAM（“designing resiliency against metallic CNTs”的縮寫，即設(shè)計(jì)對抗金屬性的碳納米管）的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)以一種方式放置金屬性的 CNFETs，使之不會干擾計(jì)算。在這個過程中，他們將嚴(yán)格的純度要求放寬了四個數(shù)量級，或者說1萬倍，這意味著他們只需要純度達(dá)99.99%的碳納米管，而目前這是可以制備出來的。

基本上，設(shè)計(jì)電路需要一個由連接到晶體管上不同的邏輯門組成的庫，而這些邏輯門可以組合到一起，就像將字母拼接成單詞一樣創(chuàng)造加法器和乘法器。研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬碳納米管對于這些邏輯門的不同組合的影響是不同的。例如，邏輯門A中的單個金屬碳納米管，可能會破壞邏輯門A與邏輯門B之間的連接。但是邏輯門B中的幾個金屬碳納米管卻不會影響它們的連接。

在芯片設(shè)計(jì)中，有許多方法可以在電路上實(shí)現(xiàn)代碼。研究人員進(jìn)行了模擬，以找到所有不同的邏輯門組合，它們對于任何金屬碳納米管來說可能是“魯棒性的”或者是“非魯棒性的”。然后，他們定制了一個芯片設(shè)計(jì)程序，自動尋找最不可能受到金屬碳納米管影響的組合。當(dāng)設(shè)計(jì)一個新型芯片時，程序?qū)⒅焕?ldquo;魯棒”的組合，并忽略有漏洞的組合。

Shulaker 表示：“‘DREAM’這個雙關(guān)語非常有意義，因?yàn)樗谴蠹覊裘乱郧蟮慕鉀Q方案。這個方法使得我們可以購買現(xiàn)成的碳納米管，將它們放到晶圓上，像平常一樣去構(gòu)造我們的電路，不需要做其他任何特殊的事情。”

剝離與調(diào)優(yōu)

CNFET 制造始于在溶液中將碳納米管沉積到具有預(yù)先設(shè)計(jì)好的晶體管結(jié)構(gòu)的晶圓上。然而，一些碳納米管會不可避免地隨機(jī)粘在一起，形成大束，就像意大利面串成小球一樣，在芯片上形成了大顆粒污染物。

為了清除這種污染物，研究人員發(fā)明了 RINSE （removal of incubated nanotubes through selective exfoliation，用選擇性剝離的方法去除孵化的納米管）技術(shù)。晶圓會通過一種促進(jìn)碳納米管粘合的試劑進(jìn)行預(yù)處理。然后，晶圓被涂上某種聚合物，并浸入一種特殊的溶劑中。這樣一來可以沖走聚合物，而這些聚合物只能將帶走大束的碳納米管，而單個碳納米管仍會粘附在晶圓上。與其他類似方法相比，該技術(shù)可使芯片上的顆粒密度降低約250倍。

最后，研究人員解決了 CNFET 常見的功能性問題。二進(jìn)制計(jì)算需要兩種類型的晶體管：“N”型晶體管，打開代表比特位為1，關(guān)閉代表比特位為0；“P”型晶體管則相反。傳統(tǒng)意義上說，用碳納米管制造這兩種類型的晶體管是極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)橥ǔa(chǎn)生性能各異的晶體管。為了解決這個問題，研究人員開發(fā)出一項(xiàng)稱為 MIXED（metal interface engineering crossed with electrostatic doping，與靜電摻雜交叉的金屬界面工程）的技術(shù)，它能精確地調(diào)整晶體管的功能和優(yōu)化。

在這項(xiàng)技術(shù)中，他們把某些金屬（鉑或鈦）附著在每個晶體管上，這樣就可以將晶體管固定為P或者N。然后，他們通過原子層沉積法將 CNFET 涂覆到某種氧化物化合物上，從而調(diào)整晶體管的特性，以滿足特定應(yīng)用的需求。例如，服務(wù)器通常需要運(yùn)行速度快但耗電多的晶體管。從另一方面來說，可穿戴設(shè)備和醫(yī)療植入物可能需要速度較慢、功耗較低的晶體管。

未來

他們的主要目標(biāo)是將該芯片推向現(xiàn)實(shí)世界。為實(shí)現(xiàn)該目的，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開始通過支持這項(xiàng)研究的美國國防部高等研究計(jì)劃局的一個項(xiàng)目，將他們的制造技術(shù)應(yīng)用到一家硅芯片鑄造廠中。雖然現(xiàn)在還沒有人能斷言，完全由碳納米管制成的芯片何時將會上市。但 Shulaker 表示：“它可能在五年內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。我們認(rèn)為這不再是一個能否實(shí)現(xiàn)的問題，而只是何時實(shí)現(xiàn)的問題。