性能10倍于硅晶體管，世界首個碳納米管微處理器面世！采用RISC-V架構
2019-08-29 13:02:05 EETOP今天發表在《自然》(Nature)雜志上的這款微處理器，可以使用傳統的硅芯片制造工藝來制造，這是使碳納米管微處理器更加實用的重要一步。
硅晶體管已經在計算機行業中存在了幾十年。正如摩爾定律所預測的那樣，業每隔幾年就在芯片上塞入更多的晶體管，以幫助進行日益復雜的計算。但摩爾定律終將到頭。
麻省理工學院的研究人員利用傳統硅芯片制造的工藝，發明了一項新技術，可以極大地限制缺陷，并在制造CNFET時實現全功能控制。他們演示了一個16位微處理器，其中包含14,000多個CNFET，可執行與商用微處理器相同的任務
該微處理器基于RISC-V開源芯片架構。研究團隊將該微處理器命名為“RV16X-NANO”，并在測試中成功執行了一個程序，生成信息： “Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.”
“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”共同作者Max M. Shulaker說道，“硅是有限制的。如果我們想在計算領域繼續取得進展，碳納米管是最有希望克服這些限制的方法之一。這篇論文徹底改變了我們用碳納米管制造芯片的方式。”
消除碳納米管的缺陷
該微處理器是在Shulaker 和其他研究人員六年前設計的上一個版本的基礎上開發的，該版本只有178 cnfet，運行在1bit數據上。從那時起，Shulaker 和他在麻省理工學院的同事們就開始著手解決生產這種設備的三個具體挑戰:材料缺陷、制造缺陷和功能問題。Hills 負責大部分微處理器的設計，而 Lau 則負責大部分的芯片制造工作。
多年來，碳納米管的固有缺陷一直是很難克服。理想情況下，CNFET需要半導體特性以在關閉時切換其導電性，對應于位元1和位元0。但不可避免地，一小部分碳納米管將會呈現金屬特性，并且將減慢或阻止晶體管切換。對于這些故障，先進的電路將需要純度在99.999999%左右的碳納米管，這在今天幾乎是不可能生產的。
研究人員提出了一種名為DREAM (an acronym for “designing resiliency against metallic CNTs”)的技術，該技術以一種不會干擾計算的方式定位金屬碳納米管。在此過程中，他們將嚴格的純度要求降低了約4個數量級，即10000倍，這意味著他們只需要純度達到99.99%左右的碳納米管，目前這是可以實現的。
設計電路基本上需要一個由連接到晶體管上的不同邏輯門組成的庫，這些邏輯門可以組合在一起，例如，創建加法器和乘法器——就像組合字母表中的字母來創建單詞一樣。研究人員發現，金屬碳納米管對這些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，但是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。
在芯片設計中，有許多方法可以將代碼實現到電路中。研究人員進行了模擬，發現所有不同的柵極組合對任何金屬碳納米管都是穩健的，而對任何金屬碳納米管都不具有魯棒性。然后，他們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。在設計新芯片時，程序只利用穩健的組合，而忽略脆弱的組合。
研究人員總結稱，鑒于這個微處理器的設計和制造采用了行業標準，因此這項研究為超越硅的電子學指明了一個富有前景的發展方向。
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