性能10倍于硅晶体管,世界首个碳纳米管微处理器面世!采用RISC-V架构

2019-08-29 13:02:05 来源:EETOP
多年来,MIT的研究人员克服了众多设计和制造方面的挑战,用碳纳米管晶体管(CNFET)制造了一个现代微处理器,新方法利用了硅芯片相同的制造工艺,为下一代计算机的发展提供了关键的进步。人们普遍认为碳纳米管晶体管比传统硅晶体管更快、更环保。

今天发表在《自然》(Nature)杂志上的这款微处理器,可以使用传统的硅芯片制造工艺来制造,这是使碳纳米管微处理器更加实用的重要一步。

 

硅晶体管已经在计算机行业中存在了几十年。正如摩尔定律所预测的那样,业每隔几年就在芯片上塞入更多的晶体管,以帮助进行日益复杂的计算。但摩尔定律终将到头。
 

 


制造碳纳米管场效应晶体管(CNFET)已成为下一代计算机的主要目标。研究表明,与硅相比,CNFET具有10倍左右的能源效率和更快的速度。单在大规模生产时,CNFET常常会出现许多影响性能的缺陷,因此仍然不实用。

 

麻省理工学院的研究人员利用传统硅芯片制造的工艺,发明了一项新技术,可以极大地限制缺陷,并在制造CNFET时实现全功能控制。他们演示了一个16位微处理器,其中包含14,000多个CNFET,可执行与商用微处理器相同的任务
 

该微处理器基于RISC-V开源芯片架构。研究团队将该微处理器命名为“RV16X-NANO”,并在测试中成功执行了一个程序,生成信息: “Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.”
 

“这是迄今为止由新兴纳米技术制成的最先进的芯片,有望用于高性能和高能效计算”共同作者Max M. Shulaker说道,“硅是有限制的。如果我们想在计算领域继续取得进展,碳纳米管是最有希望克服这些限制的方法之一。这篇论文彻底改变了我们用碳纳米管制造芯片的方式。”
 

消除碳纳米管的缺陷
 

该微处理器是在Shulaker 和其他研究人员六年前设计的上一个版本的基础上开发的,该版本只有178 cnfet,运行在1bit数据上。从那时起,Shulaker 和他在麻省理工学院的同事们就开始着手解决生产这种设备的三个具体挑战:材料缺陷、制造缺陷和功能问题。Hills 负责大部分微处理器的设计,而 Lau 则负责大部分的芯片制造工作。
 

多年来,碳纳米管的固有缺陷一直是很难克服。理想情况下,CNFET需要半导体特性以在关闭时切换其导电性,对应于位元1和位元0。但不可避免地,一小部分碳纳米管将会呈现金属特性,并且将减慢或阻止晶体管切换。对于这些故障,先进的电路将需要纯度在99.999999%左右的碳纳米管,这在今天几乎是不可能生产的。
 

研究人员提出了一种名为DREAM (an acronym for “designing resiliency against metallic CNTs”)的技术,该技术以一种不会干扰计算的方式定位金属碳纳米管。在此过程中,他们将严格的纯度要求降低了约4个数量级,即10000倍,这意味着他们只需要纯度达到99。99%左右的碳纳米管,目前这是可以实现的。
 

设计电路基本上需要一个由连接到晶体管上的不同逻辑门组成的库,这些逻辑门可以组合在一起,例如,创建加法器和乘法器——就像组合字母表中的字母来创建单词一样。研究人员发现,金属碳纳米管对这些门的不同配对有不同的影响。例如,A门中的一个金属碳纳米管可能会破坏A和B之间的连接,但是B门中的几个金属碳纳米管可能不会影响A和B之间的任何连接。
 

芯片设计中,有许多方法可以将代码实现到电路中。研究人员进行了模拟,发现所有不同的栅极组合对任何金属碳纳米管都是稳健的,而对任何金属碳纳米管都不具有鲁棒性。然后,他们定制了一个芯片设计程序,自动学习最不受金属碳纳米管影响的组合。在设计新芯片时,程序只利用稳健的组合,而忽略脆弱的组合。
 

研究人员总结称,鉴于这个微处理器的设计和制造采用了行业标准,因此这项研究为超越硅的电子学指明了一个富有前景的发展方向。

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