MIT mühendisleri karbon nanotüplerden gelişmiş mikroişlemciler kuruyor.
Yeni yaklaşım, silikon çiplerle aynı üretim işlemlerini kullanıyor ve yeni nesil bilgisayarların geliştirilmesinde önemli ilerlemeler sağlıyor.
Yıllarca birçok geliştirme ve üretim zorluğunu çözdükten sonra, MIT araştırmacıları, geleneksel silikon meslektaşlarına daha hızlı ve daha yeşil bir alternatif olarak kabul edilen son teknoloji ürünü bir karbon nanotüp transistor mikroişlemcisi geliştirdi.
Bugün Nature dergisinde tarif edilen mikroişlemci, geleneksel silikon çip üretim teknikleri kullanılarak imal edilebilir ve karbon nanotüp mikroişlemcilerin daha pratik uygulanmasına yönelik önemli bir adımı temsil eder.
Silikon transistörler - hesaplamaları gerçekleştirmek için 1 ile 0 bit arasında geçiş yapan kritik mikroişlemci bileşenleri - bilgisayar endüstrisinde on yıllardır kullanılmaktadır. Moore Yasası tarafından öngörüldüğü gibi, endüstri her birkaç yılda bir transistörleri küçültebiliyor ve giderek daha karmaşık hesaplamalar yapmak için daha fazla çip yerleştirebiliyor. Ancak uzmanlar, silikon transistörlerin artık küçülmeyeceği ve giderek daha etkisiz hale geleceği bir zamanı tahmin ediyor.
Karbon nanotüp alan etkisi transistörlerinin (CNFET'ler) üretimi, yeni nesil bilgisayarların yapımında önemli bir hedef haline gelmiştir. Araştırma, CNFET'lerin 10 katlamalı enerji verimliliği ve silikon ile karşılaştırıldığında çok daha yüksek hızlar vaat eden özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. Ancak eğer transistörler küçük çapta yapılırsa, performansı etkileyen birçok eksiklikleri vardır, bu yüzden pratik değildirler.
Karbon nanotüp alan etkili transistörlerden oluşan modern bir mikroişlemcinin yakından görünümü. Teşekkür - Resim: Felice Frankel, MIT
MIT araştırmacıları, kusurları büyük ölçüde azaltmak ve geleneksel silikon yonga dökümhanelerinde prosesleri kullanarak CNFET'lerin üretim fonksiyonu üzerinde tam kontrol sağlamak için yeni teknikler geliştirdiler. Ticari mikroişlemcilerle aynı görevleri gerçekleştiren, 16 CNFET'ten daha fazlasına sahip bir 14.000-bit mikroişlemcisi gösterdiler. Nature Paper, mikroişlemcinin tasarımını açıklar ve üretim yöntemini tanımlayan 70 sayfalarından daha fazlasını içerir.
Mikroişlemci, bir mikroişlemcinin yürütebileceği bir dizi talimat içeren açık kaynaklı yonga mimarisi RISC-V'yi temel alır. Araştırmacıların mikro işlemcisi, tüm komut setini tam olarak uygulayabildi. Klasik "Merhaba, Dünya!" Programının değiştirilmiş bir sürümü olan "Merhaba Dünya!" Ben RV16XNano, CNT'lerden yapılmış. "
Emanuel E Landsman Kariyer Geliştirme Yardımcı Profesörü Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi (EECS) ve ortak yazar Max M. Shulaker, "Bu, yüksek performanslı, enerji açısından verimli bilgi işlem için büyük umut vaat eden yeni bir nanoteknolojinin açık ara en gelişmiş çipi," diyor ve Microsystems Technology Laboratories üyesidir. Silikonun sınırları vardır. Hesaplamada ilerlemeye devam edeceksek, karbon nanotüpler bu sınırları zorlamanın en umut verici yollarından biridir.
Shulaker ile birlikte, aşağıdaki insanlar proje üzerinde çalışıyor: ilk yazar ve postdoc Gage Hills, hepsi mezun öğrenciler Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Piskopos, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho ve Aya Amer, EECS'den; Johnson, Bilişim ve Yapay Zeka Laboratuarında Bilgisayar Bilimi ve Mühendisliği ve Araştırmacı Profesörü Arvind; Anantha Chandrakasan, Mühendislik Fakültesi Dekanı ve Vannevar Bush Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Profesörü; ve Samuel Fuller, Yosi Stein ve Denis Murphy, hepsi analog cihazlar.
MIT mühendisleri, silikon transistörlerden daha hızlı ve daha çevre dostu olduğu düşünülen karbon nanotüp alan etkili transistörlerden (resimde) modern bir mikroişlemci inşa ettiler. Yeni yaklaşım, silikon yongalarla aynı üretim süreçlerini kullanıyor. Teşekkür - Resim: Felice Frankel, MIT
CNFET'lerin "laneti" ile mücadele
Mikroişlemci, Shulaker ve diğer araştırmacılar tarafından altı yıl önce geliştirilen ve yalnızca 178 CNFET'leri olan ve tek bir veri biti ile çalışan daha önceki bir simülasyon üzerine kuruludur. O zamandan beri, Shulaker ve MIT meslektaşları cihaz üretiminde üç özel konu ele aldılar: malzeme kusurları, üretim hataları ve işlevsel konular. Hills, mikroişlemci tasarımının çoğunu, Lau ise üretimin çoğunu devraldı.
Shulaker, yıllardır karbon nanotüplerin doğasında bulunan kusurun "alanın laneti" olduğunu söylüyor. İdeal olarak, CNFET'lerin iletkenliklerini 1 ve 0 bitlerine göre açıp kapatmak için yarı iletken özelliklere ihtiyaçları vardır, ancak kaçınılmaz olarak karbon nanotüplerin küçük bir kısmı metalik olacaktır ve transistörü yavaşlatacak veya durduracaktır. Bu arızalara karşı dirençli olabilmek için modern devreler, yaklaşık yüzde 99,999999 saflığa sahip karbon nanotüplere ihtiyaç duyuyor ki bu, bugün üretilmesi neredeyse imkansız.
Araştırmacılar, metalik CNFET'leri veri işlemeye müdahale etmeyecek şekilde konumlandıran DREAM ("Metalik CNT'lere Karşı Tasarım Esnekliği" nin kısaltması) adlı bir teknik geliştirdiler. Bunu yaparken, bu katı saflık gereksinimlerini yaklaşık dört sıra (veya 10.000 kat) gevşetmişler, bu da şu anda mümkün olan yaklaşık yüzde 99,99 saflığa sahip karbon nanotüplere ihtiyaç duydukları anlamına geliyor.
Devrelerin tasarlanması temel olarak transistörlere bağlı çeşitli farklı mantık kapıları gerektirir; bunlar, örneğin, sözcükler oluşturmak için alfabedeki harfleri birleştirmek gibi, toplayıcılar ve çarpanlar oluşturmak için birleştirilebilir. Araştırmacılar, metalik karbon nanotüplerin bu kapıların farklı eşleşmelerini farklı şekilde etkilediğini buldular. Örneğin, A kapısındaki tek bir metalik karbon nanotüp, A ve B arasındaki bağlantıyı kesebilir. Bununla birlikte, Kapı B'deki birden fazla metalik karbon nanotüp, bağlantılarından herhangi birine müdahale edemez.
Çip tasarımında, bir devrede kod uygulamanın birçok yolu vardır. Araştırmacılar, sert ve metalik karbon nanotüplere dayanıklı farklı kapı kombinasyonlarını bulmak için simülasyonlar yaptılar. Daha sonra metalik karbon nanotüplerden en az etkilenen kombinasyonları otomatik olarak belirlemek için bir çip tasarım programını uyarladılar. Yeni bir yonga tasarlarken, program yalnızca sağlam kombinasyonları kullanır ve hassas kombinasyonları yok sayar.
Shulaker, "'rüya görme' kelime oyunu tamamen kasıtlıdır çünkü rüya çözümü budur," diyor. "Bu, raftan karbon nanotüpler satın almamızı, bunları bir gofretin üzerine atmamızı ve başka hiçbir şey yapmadan devremizi her zamanki gibi kurmamızı sağlıyor."
Pul pul dökülme ve tuning
CNFET üretimi, prefabrike transistör mimarilerine sahip bir gofrete bir çözelti içinde karbon nanotüplerin uygulanmasıyla başlar. Bununla birlikte, bazı karbon nanotüpler, büyük yığınlar oluşturmak için kaçınılmaz olarak rasgele birbirine yapışır - küçük toplar şeklinde şekillendirilmiş spagetti şeritleri gibi - çip üzerinde büyük bir parçacık kirliliği yaratır.
Bu kontaminasyonu ortadan kaldırmak için, araştırmacılar RINSE ("Kuluçkalanmış Nanotüplerin Seçici Eksfoliyasyon ile Çıkarılması" için) oluşturdu. Gofret, karbon nanotüplerin yapışmasını destekleyen bir preparat ile ön işleme tabi tutulur. Gofret daha sonra belirli bir polimerle kaplanır ve özel bir çözücüye daldırılır. Bu, tek tek karbon nanotüpler gofrete yapışırken yalnızca büyük demetleri taşıyan polimeri yıkar. Teknik, benzer yöntemlere kıyasla çip üzerindeki partikül yoğunluğunda yaklaşık 250 kat azalmaya yol açar.
Son olarak, araştırmacılar CNFET'lerle ortak fonksiyonel problemlere baktılar. İkili hesaplama için iki tür transistör gereklidir: 1 bit ile açılan ve 0 bit ile kapanan "N" türleri ve ters etkiye sahip "P" türleri. Geleneksel olarak, iki türü karbon nanotüplerden üretmek zordu ve bu da genellikle farklı performans seviyelerine sahip transistörlerle sonuçlanıyordu. Bu çözüm için araştırmacılar, işlev ve optimizasyon için transistörleri hassas bir şekilde ayarlayan MIXED ("Elektrostatik katkılama ile çaprazlanmış Metal Arayüz Mühendisliği" için) adlı bir teknik geliştirdiler.
Bu teknikte, belirli metalleri her bir transistöre (platin veya titanyum) bağlarlar ve bu da transistörü P veya N olarak sabitlemelerine izin verir. Daha sonra CNFET'leri atomik katman biriktirme ile bir oksit bileşiğinde kaplarlar, bu da transistörlerin özelliklerini belirli uygulamalar için ayarlamalarını sağlar. Örneğin, sunucular genellikle çok hızlı çalışan ancak aynı zamanda enerji ve performans taşıyan transistörlere ihtiyaç duyar. Giyilebilir cihazlar ve tıbbi implantlar ise daha yavaş, düşük güçlü transistörler kullanabilir.
Ana amaç, çipleri gerçek dünyaya taşımaktır. Bu amaçla, araştırmacılar artık, araştırmayı destekleyen Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı'nın bir programı aracılığıyla bir silikon çip dökümhanesinde üretim tekniklerini uygulamaya başladılar. Tamamen karbon nanotüplerden yapılan yongaların raflara ne zaman çıkacağını kimse söyleyemezken, Shulaker bunun beş yıldan az olabileceğini söylüyor. "Bunun artık olup olmayacağı değil, ne zaman olacağı konusunda düşünüyoruz," diyor.
Çalışma Analog Cihazlar, Ulusal Bilim Vakfı ve Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı tarafından da desteklendi.
Yazı: MIT / İMKB, resim: Felice Frankel, MIT
