全球首款可編程碳納米管芯片問世

MIT和ADI公司的研究人員們創(chuàng)造了第一個完全可編程的16位碳納米管微處理器。它是迄今基于碳納米管的CMOS邏輯最復雜的集成，擁有14000多個晶體管，基于RISC-V架構，可執(zhí)行與商用微處理器相同的任務。在測試中，它還執(zhí)行了經典的“Hello World程序”：該芯片名為RV16X-NANO，70多頁的制作工藝細節(jié)均在《Nature》上發(fā)表。

論文共同作者Max M.Shulaker表示，這是迄今為止由新興納米技術制成的最先進的芯片，有望用于高性能和高能效計算。研究人員認為，這一芯片的設計和制造采用了行業(yè)標準，為超越硅的電子學指明了一個富有前景的發(fā)展方向。研究人員們現(xiàn)已開始將這些制造工藝應用在硅芯片制造廠中，該研究由美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助。關于碳納米管芯片的上市時間，Shulaker表示，可能在五年內。

在摩爾定律趨緩的壓力中，研究人員一直在探索芯片設計和制造的新可能。其中，碳納米管場效應晶體管（CNFET）正是代替硅材料的首選，有望給芯片設計帶來新的革命。和硅相比，CNFET很容易地制成具有密集3D互連的多層，可將能效提升10倍，速度功耗都表現(xiàn)更好。研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬碳納米管對邏輯門的不同配對有不同的影響。

例如，A門中的一個金屬碳納米管可能會破壞A和B之間的連接，但B門中的幾個金屬碳納米管可能不會影響A和B之間的任何連接。經模擬實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，所有不同的柵極組合對任何金屬碳納米管都是穩(wěn)健的，而對任何金屬碳納米管都不具有魯棒性?？紤]到某些邏輯運算對金屬納米管的敏感度，MIT研究團隊修改了開源RISC設計工具，定制了一個芯片設計程序，自動學習最不受金屬碳納米管影響的組合。

在芯片設計時，程序只利用穩(wěn)健的組合，而忽略脆弱的組合，使得芯片中沒有對金屬碳納米管最敏感的柵極。RV16X-NANO芯片包含超過14000個晶體管，碳納米管產率為100%；采用RISC-V架構指令集，能處理16位數(shù)據(jù)和32位指令，可完成與商用微處理器相同的任務。不過，CNFET還存著一系列亟待跨越的難關，比如在大規(guī)模生產時，往往存在許多影響性能的缺陷。

MIT團隊研發(fā)的芯片則在一定程度上解決了這些問題。其微處理器是在上一個版本的基礎上開發(fā)的，上一版本設計于六年前，只有178個碳納米管，可執(zhí)行1bit數(shù)據(jù)。那時研究人員們就開始著手解決生產這種設備的三個具體挑戰(zhàn)：材料問題、制作問題、功能問題。碳納米管需提純至99.999999％，當前技術條件很難實現(xiàn)。

MIT研究人員提出一種叫DREAM（an acronym for “designing resiliency against metallic CNTs”）的技術，將碳納米管的純度要求降低降低了約4個數(shù)量級，即1萬倍。也就是說，純度達99.99%即可制作芯片，當前技術是可以實現(xiàn)的。至今將納米管放置在特定精確位置的方法尚未被掌握，此前研究人員們常分別制作。但這一過程會致使大量碳納米管隨機聚集在一起，并且其中會混入一些金屬納米管。

針對排列混亂問題，研究人員們制造了一個超大硅表面，可以保證碳納米管在金屬間隙生長。為了去除聚集體，他們發(fā)明了一種名為RINSE的方法，即通過選擇性剝離的方法移除生長的碳納米管。他們預先在晶片上涂抹一種試劑，以加強碳納米管的貼附能力，把碳納米管放上后，用某種特定聚合物包裹晶片，然后將其侵入某種溶劑，將聚集體帶走，單個碳納米管仍然粘在晶片上。

這樣一來，他們就能將納米管精確限制在定位區(qū)域。和類似方法相比，這種技術可以將芯片上的顆粒密度降低250倍。

二進制計算需要兩種晶體管：P型和N型。P型或N型半導體在硅中通常通過摻雜少量其他元素實現(xiàn)，但碳納米管很小，這種摻雜替代的方式對碳納米管不起作用。對此，MIT研究人員研發(fā)一種名為MIXED（金屬表面工程與靜電摻雜交叉）的技術，以精準地調整、優(yōu)化晶體管的功能。

研究人員將金屬氧化物附著在晶體管上，采用原子層沉積技術，根據(jù)需要操縱層的確切成分，將納米管轉化為P型或N型。MIXED是一種低溫工藝，因此晶體管可以構建在其他電路層之上而不會損壞它們。事實上，RV16X-NANO中的晶體管內置于為晶體管提供電源的一層互連和另一層將晶體管連接到邏輯門和更大系統(tǒng)的層之間。

工程師對這方案相當感興趣，它能釋放空間，實現(xiàn)性能更好或更小的系統(tǒng)，但由于加工溫度高，這一方案在硅中很難實現(xiàn)。RV16X-NANO芯片還存在不足之處。其晶體管通道長度約為1.5微米，相當于1985年推出的硅處理器Intel 80386。80386的運行頻率為16MHz，而碳納米管芯片最大頻率只有1MHz，這一差異源于電子元件的電容以及晶體管可承載電流的能力。

經證明，碳納米管的通道長度可以縮小到5nm。將每個通道中納米管的密度從每微米10個增加到每微米500個。對于隨機分布的納米管網(wǎng)絡，可實現(xiàn)密度可能有上限，但新沉積技術可將這種網(wǎng)絡的電流密度提升至1.7mA/μm 。從而減小源極和漏極的寬度，使電極更快地充電和放電。近些年，碳納米管一直被學術界和工業(yè)界寄予厚望，期望它能成為硅的完美替代者，為芯片設計界掀起新的風暴。

從理論上講，這種材料的制造速度和能耗均遠優(yōu)于硅芯片。在應用方面，除了可以用在常見的筆記本、手機、物聯(lián)網(wǎng)設備上，微處理器還可能探索更新的應用方向，比如可注射入體內的微型芯片、殺死人體內癌細胞的納米機器等。目前碳納米管在分類、加工、排序、觸頭等方面還多有局限，如果能如Shulaker所言，碳納米管芯片在五年內上市，那勢必將會給全球半導體領域帶了新的創(chuàng)新風潮。