全球首款碳納米管通用計(jì)算芯片問(wèn)世！RISC-V架構(gòu)，5倍于摩爾定律，Nature連發(fā)三文推薦

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“Hello, World！I am RV16XNano, made from CNTs”.

“你好，世界！我是 RV16XNano，由碳納米管制成?！?/p>

這句話(huà)，出自MIT研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的16位碳納米管芯片執(zhí)行的程序。

是的，你沒(méi)有看錯(cuò)，他們用與硅相同的制作工藝，基于碳納米管做出了具有完整架構(gòu)的芯片，還與世界打了招呼。

剛剛，Nature刊發(fā)了這一研究成果，并發(fā)表相應(yīng)的新聞、評(píng)論進(jìn)行重點(diǎn)推薦。

碳納米管，被認(rèn)為是替代硅材料首選，而且比硅導(dǎo)電更快，效率更高。

從理論上來(lái)說(shuō)，效率達(dá)到硅的10倍，運(yùn)行速度為3倍，而僅僅只需要消耗三分之一的能源。

而且，它還有更加廣泛的用途。一些科學(xué)家認(rèn)為，碳納米管也可以用來(lái)制作可注射入體內(nèi)的微型芯片，或殺死人體內(nèi)癌細(xì)胞的納米機(jī)器，前景不可估量。

但碳納米管也存在一系列設(shè)計(jì)、制造和功能上的問(wèn)題，比如“瘋狂的成長(zhǎng)“，很難將其放在特定的位置，使其發(fā)揮特定的作用。

在巨大的前景與潛力面前，這些問(wèn)題正在被克服。

2013年，斯坦福大學(xué)制造出了第一臺(tái)碳納米管計(jì)算機(jī)，只有178個(gè)晶體管。

現(xiàn)在，歸屬于MIT的研究團(tuán)隊(duì)造出RV16X-NANO，有14000個(gè)晶體管。

6年提高近80倍，速度是摩爾定律的5倍。

在接受Nature雜志采訪(fǎng)時(shí)，上海交通大學(xué)的孫亞男教授表示，“這項(xiàng)工作向前邁出了一大步，更接近于商用芯片。”

科技媒體ArsTechnica也給出評(píng)論，說(shuō)這是一項(xiàng)令人印象深刻的工作。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)友給出的評(píng)論則沒(méi)有那么克制：

This is a stunt – but it’s a pretty cool stunt

這是一個(gè)絕技，而且是一個(gè)非?？岬慕^技

“馴服”碳納米管

雖然相比硅晶體有很多優(yōu)點(diǎn)，但是用碳納米管來(lái)制作芯片存在著許多問(wèn)題。

首先，雖然碳納米管是一種半導(dǎo)體，但它的制造過(guò)程需要用到金屬，由此制造的碳納米管不可避免地會(huì)混入金屬雜質(zhì)。如果要獲得凈化的半導(dǎo)體版本，需要將純度水平在提高到99.999999％，在當(dāng)前的技術(shù)條件下幾乎是不可能的。

而且，碳納米管不會(huì)自然形成p型或n型半導(dǎo)體。在硅中，這些特性是通過(guò)摻雜少量其他元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。但碳納米管非常小，難以摻雜。

另外一個(gè)問(wèn)題是，制作電子元器件需要將納米管放置在極其精確的位置上。科學(xué)家們現(xiàn)在還沒(méi)有掌握讓它們?cè)谔囟ㄎ恢蒙L(zhǎng)的方法。因此不得不分別制作，然后讓它們沉淀在表面上。

不幸的是，這個(gè)過(guò)程通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)取向的納米管薄膜，由大量碳納米管聚集而成，并且其中會(huì)混入一些金屬納米管。

MIT的研究人員和亞德諾半導(dǎo)體公司的科學(xué)家找到了解決所有這些問(wèn)題的方法。

研究人員提出了一種名為DREAM的技術(shù)，把對(duì)碳納米管?chē)?yán)格的純度要求放寬了大約1萬(wàn)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。

制造碳納米管芯片首先是解決排列混亂的問(wèn)題。研究人員制造了一個(gè)足夠大、具有金屬特征的硅表面，可以保證納米管在金屬間隙之間生長(zhǎng)。

為了去除聚集體，他們?cè)诩{米管上沉積了一層材料，然后通過(guò)超聲將其破碎。這種材料會(huì)帶走聚集體，但不會(huì)使下層的納米管受到干擾。

接下來(lái)，為了將納米管限制在需要的地方，研究人員只要將大部分的納米管蝕刻掉，留下需要的部分。

然后，研究人員使用原子沉積的技術(shù)將金屬氧化物附著再納米管上。不同的金屬氧化物性質(zhì)不同，可以根據(jù)需要將納米管轉(zhuǎn)化為p型或n型半導(dǎo)體。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于硅晶體的摻雜，而且可以有效地控制各個(gè)pn結(jié)的行為。

從晶體管到芯片

由此制造的元件被稱(chēng)作碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CNFET），與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）類(lèi)似，它是構(gòu)建下一代計(jì)算機(jī)的基本單元。

芯片的功能由邏輯門(mén)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，而通過(guò)CNFET的組合可以構(gòu)造出邏輯門(mén)。

△ 用碳納米管制成的反相器

研究人員希望降低某些邏輯運(yùn)算對(duì)金屬納米管的敏感度。因此他們修改了一個(gè)開(kāi)源RISC設(shè)計(jì)工具來(lái)考慮這些問(wèn)題，讓芯片設(shè)計(jì)中沒(méi)有對(duì)金屬碳納米管最敏感的柵極。

由此制造的芯片稱(chēng)為RV16X-NANO，使用RISC-V架構(gòu)的32位長(zhǎng)指令。存儲(chǔ)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(xiě)回存儲(chǔ)器。

總體而言，RV16X-NANO使用了超過(guò)14000個(gè)單獨(dú)的晶體管，碳納米管產(chǎn)率為100%。也就是說(shuō)，這14000個(gè)晶體管每個(gè)都有效，沒(méi)有一個(gè)報(bào)廢。

RV16X-NANO也是一個(gè)3D芯片，納米管層下面的金屬觸點(diǎn)用于在不同晶體管之間傳遞信號(hào)，而而納米管上方的單獨(dú)金屬觸點(diǎn)用于供電。

改進(jìn)空間

RV16X-NANO芯片里晶體管通道長(zhǎng)度約為1.5微米，相當(dāng)于硅芯片中的Intel 80386，這款處理器于1985年推出。

80386的運(yùn)行頻率為16MHz，而碳納米管計(jì)算機(jī)最大頻率僅為1MHz。造成這種差異的原因在于電子元件的電容以及晶體管可以承載的電流量。

硅晶體管每微米寬度可承載大約1毫安的電流（1mA/μm），而碳納米管晶體管只能承載約6μA/μm的電流。這是在未來(lái)版本的計(jì)算機(jī)中需要改進(jìn)的地方。

增加電流的第一步是減小晶體管溝道長(zhǎng)度。2個(gè)碳納米管的溝道長(zhǎng)度可以縮小到5nm。

第二步是將每個(gè)通道中納米管的密度從每微米10個(gè)增加到每微米500個(gè)。新的沉積技術(shù)可將這種網(wǎng)絡(luò)中的電流密度提升至1.7mA/μm 。

第三步是減小晶體管的寬度，從而減小源極和漏極的寬度，這將使電極更快地充電和放電。

6年前的團(tuán)隊(duì)再出手

這一研究有兩個(gè)一作，分別是Gage Hills和Christian Lau；通訊作者為Max M. Shulaker；都來(lái)自MIT。

其中，Max M. Shulaker和Gage Hills是2013年第一臺(tái)碳納米管計(jì)算機(jī)研究成果第一作者和第二作者。當(dāng)時(shí)，他們還在斯坦福大學(xué)讀博士。

這次取得的進(jìn)展，建立在這一研究的基礎(chǔ)上。

2016年7月，Max M. Shulaker加入MIT，擔(dān)任助理教授，繼續(xù)開(kāi)展碳納米管相關(guān)的研究。目前，Gage Hills是MIT的博士后研究員，負(fù)責(zé)大部分芯片的設(shè)計(jì)工作。

Christian Lau，是MIT的碩士研究生，負(fù)責(zé)大部分芯片的制造工作。

此外，作者中還有兩位來(lái)自亞德諾半導(dǎo)體。據(jù)悉，這家公司是這項(xiàng)研究的支持方之一。

根據(jù)MIT的報(bào)道，Shulaker的下一步目標(biāo)是將芯片推向現(xiàn)實(shí)世界。

他說(shuō)，現(xiàn)在已經(jīng)不是一個(gè)是和否的問(wèn)題，而是何時(shí)的問(wèn)題。

為了達(dá)到這個(gè)目的，他們已經(jīng)通過(guò)美國(guó)DARPA的一個(gè)項(xiàng)目將技術(shù)應(yīng)用到了硅芯片代工廠(chǎng)中，踐行研究。

至于碳納米管制成的芯片什么時(shí)候能夠商用，沒(méi)有人能夠給出一個(gè)確切的時(shí)間。

但Shulaker表示，可能不到五年。

論文傳送門(mén)：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1493-8