“这是迄今为止由新兴纳米技术制成的最先进芯片,可望用于高性能和高能效的计算领域。”上述论文的作者之一Max M. Shulaker表示,他是电气工程和计算机科学(EECS)系Emanuel E Landsman职业发展教授助理,也是微系统技术实验室(Microsystems Technology Laboratories,MTL)的成员。他说, “硅有局限性,如果我们想继续在计算领域取得进展,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采用碳纳米管制造芯片的方式。”
购买现成的碳纳米管,将其放在晶圆上,构建电路
这款新的碳纳米微处理器是在之前的迭代设计基础之上开发的。六年前,Shulaker和其他一些研究人员就设计了一款微处理器,由178个CNFET组成并运行在一位数据上。从那时起,Shulaker和他麻省理工学院的同事们解决了生产上的三个具体难题:材料缺陷、制造缺陷和功能问题。
多年来,碳纳米管的固有缺陷一直是“该领域的祸根”,Shulaker说。理想情况下,CNFET需要半导体特性来控制其开和关的导电性,对应于位元1和位元0。不可避免地,一小部分碳纳米管将呈现金属特性,这将减慢或阻止晶体管开关。为了在这种情况下保持鲁棒性(Robust,即稳健性),高级电路将需要纯度约为99.999999%的碳纳米管,而这在今天几乎是不可能生产出来的。
研究人员提出了一种名为DREAM(Designing Resiliency Against Metallic CNTs)的技术,该技术以不会干扰计算的方式对金属碳纳米管进行定位,从而将严格的纯度要求放宽了大约四个数量级,即降低了10,000倍,这意味着只需要纯度约为99.99%的碳纳米管,而这是目前可实现的。
电路设计本质上是利用晶体管构成的不同逻辑门所组成的库,对这些库进行组合即可构建各种逻辑单元,比如加法器和乘法器等,就好像组合字母来创建单词一样。研究人员发现金属碳纳米管对逻辑门的不同组合产生不同的影响。例如,逻辑门A中的单个金属碳纳米管可能会破坏A与B之间的连接,但是逻辑门B中的多个金属碳纳米管可能不会影响A与B之间的任何连接。
在芯片设计中,电路上实现代码的方法有很多。研究人员们通过模拟发现,所有的不同逻辑门组合,不同的组合对金属碳纳米管或具有鲁棒性,或不具有鲁棒性。然后,他们定制芯片设计程序,自动学习最不可能受金属碳纳米管影响的组合。在设计一颗新的芯片时,该程序将仅采用具鲁棒性的组合,同时忽略易受影响的组合。