Создан первый полноценный микропроцессор из углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки обещают стать перспективной заменой кремниевым транзисторам.

Иллюстрация Pixabay.

RV16XNano по характеристикам сравним с коммерческими микропроцессорами.

Иллюстрация Felice Frankel.

Авторам пришлось решить целый ряд сложных технологических проблем.

Иллюстрация MIT.

Инженеры создали первый микропроцессор на основе углеродных нанотрубок, который по числу транзисторов сравним с коммерческими традиционными аналогами. При этом для изготовления подобных микросхем можно использовать стандартные технологические процессы. Авторы считают, что "углеродная" техника с невероятным быстродействием появится на рынке в течение пяти лет.

Новое устройство получило название RV16XNano. Оно имеет 14 тысяч транзисторов и разрядность 16 бит. Эти цифры сравнимы с показателями знаменитого процессора Intel 8086, надолго ставшего "золотым стандартом" технологии. Напомним, что он имел такую же разрядность и 29 тысяч транзисторов.

Микропроцессор продемонстрировал успешное выполнение всех команд, необходимых для работы универсального компьютера. Отдавая дань традиции, машина, оснащённая этим устройством, вывела на монитор приветственную фразу: "Здравствуй, мир! Я RV16XNano, сделанный из углеродных нанотрубок".

"На сегодняшний день это самый продвинутый чип, созданный на основе любой зарождающейся нанотехнологии, перспективной для высокопроизводительных и энергоэффективных вычислений", – заявляет глава исследовательской группы Макс Шулакер (Max Shulaker) из Массачусетского технологического института.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

RV16XNano по характеристикам сравним с коммерческими микропроцессорами.

Напомним, что транзисторы – это важнейшие "строительные блоки", из которых собирается вычислительная техника. Впечатляющий рост её производительности со времён появления первых ЭВМ достигался за счёт того, что транзисторы становились всё меньше и меньше. Это позволяло упаковать в микросхему всё большее их число.

Но уже сейчас размеры этих устройств сравнимы с атомными. Эксперты в один голос утверждают, что на наших глазах наступает предел, за которым уменьшать традиционные кремниевые элементы будет просто некуда. Если человечество не хочет отказываться от традиции каждые несколько лет получать всё более мощные компьютеры, ему необходимо научиться делать транзисторы из чего-то ещё.

Здесь перспективными кандидатами являются углеродные нанотрубки. Как показывают исследования, транзисторы на их основе работают гораздо быстрее кремниевых. К тому же им требуется в десять раз меньше энергии.

Однако одно дело – лабораторные образцы, и совсем другое – массовое производство. Количество транзисторов в современных микропроцессорах варьируется от десятков тысяч до десятков миллионов. Следовательно, инновационные транзисторы нужно изготовлять в достаточном количестве. Эта технология должна достаточно редко выдавать бракованные изделия. Кроме того, нанотрубки нужно автоматически размещать на микросхеме. Наконец, производство должно быть рентабельным.

На этом пути перед человечеством лежит целый ряд проблем. Авторы решили несколько ключевых задач из этого списка, что и позволило им создать процессор с тысячами транзисторов.

Делать добро из зла: проблема бракованных нанотрубок

Первая из решённых проблем касается бракованных нанотрубок.

Обычная углеродная нанотрубка представляет собой полупроводник, как и требуется для создания транзистора. Но небольшая доля трубок имеет дефекты структуры, придающие материалу свойства металла.

Поясним, что в данном случае под металлом понимается вещество, которое имеет высокую электропроводность за счёт электронов, не привязанных к своим атомам, а свободно перемещающихся по всему кристаллу. В обычных условиях металлами являются железо, медь, серебро и другие вещества, которые мы привычно так называем. Но, выстроив атомы определённым образом, можно придать металлические свойства и углероду (и даже водороду).

Для создания надёжных микросхем из углеродных нанотрубок требуется, чтобы доля металлических нанотрубок не превышала 0,000001%. Но сегодня нет технологий производства, которые допускают подобную осечку настолько редко.

Чтобы обойти эту проблему, авторы разработали технологию DREAM ("Мечта"). Это слово – в данном случае аббревиатура от designing resiliency against metallic [nanotubes], что означает "разработка устойчивости к металлическим [нанотрубкам]".

Эта методика позволяет создавать технику из нанотрубок, среди которых доля металлических равна 0,01%. Это в десять тысяч раз больше предыдущего значения и вполне на уровне современных методов производства нанотрубок.

Секрет в том, что вред от металлической трубки зависит от того, в какой части какого логического элемента она находится. Оказавшись в неудачном месте, бракованная деталь блокирует работу устройства. В то же время есть точки, где она не наносит ущерба. Аналогия проста: если при изготовлении миски нечаянно получился дуршлаг, то в него не стоит наливать суп, но вполне можно положить яблоки.

Авторы провели моделирование и выяснили, где нужно размещать металлические нанотрубки, чтобы схема не теряла работоспособности. Далее оставалось только загрузить эти сведения в программу, проектирующую чип.

"Игра слов [связанная с аббревиатурой] DREAM очень важна, потому что это [техническое] решение мечты, – утверждает Шулакер. – Оно позволяет нам покупать углеродные нанотрубки "с полки", помещать их на пластину и просто строить наши схемы как обычно, не делая ничего особенного".

Авторам пришлось решить целый ряд сложных технологических проблем.

Клубки без Ариадны: как очистить микросхему

Исследователи решили и ещё одну проблему новой электроники. Она связана с размещением нанотрубок на будущей микросхеме.

Изготовление микросхемы с "трубчатыми" транзисторами происходит так. В раствор, содержащий углеродные нанотрубки, погружается пластина-подложка. Технологический процесс настроен так, чтобы нанотрубки прилипали к подложке в заранее намеченных местах.

Однако некоторые трубки неизбежно слипаются друг с другом концами. Так образуются длинные нити, похожие на спагетти. Они спутываются в беспорядочные клубки. Эти клубки – мусор на заготовке чипа. Их нужно удалить, но так, чтобы не смыть заодно и нанотрубки, "занявшие места согласно купленным билетам".

Для этого авторы разработали специальную процедуру. Продолжая подбирать говорящие аббревиатуры, они назвали её RINSE ("промывка"). Это сокращение от словосочетания removal of incubated nanotubes through selective exfoliation, то есть " удаление выращенных нанотрубок путём селективного отшелушивания".

Сначала пластина обрабатывается веществом, способствующим прилипанию (адгезии) нанотрубок. Затем она покрывается определённым полимером. Наконец, изделие со слоем полимера и будущими транзисторами погружается в специальный растворитель. Он удаляет полимер вместе с комками длинных нанотрубок, оставляя на месте короткие.

Этот метод уменьшает количество зловредных клубков на единицу площади микросхемы в 250 раз по сравнению с результатами предыдущих технологий очистки.

Равенство непохожих: два типа транзисторов

Третья решённая авторами проблема касалась производства двух типов транзисторов.

Традиционная микроэлектроника требует использования двух видов этих деталей: с каналом n-типа и с каналом p-типа (кратко их можно назвать n- и p-транзисторами). Создание деталей обоих видов из углеродных нанотрубок – сложная задача. Существующие решения зачастую приводили к тому, что получались элементы самой разной производительности.

Процедуру, позволяющую производить "трубчатые" n- и p-транзисторы в нужных пропорциях, литературно одарённые инженеры назвали MIXED ("смешанный"). Это, конечно, тоже аббревиатура, в данном случае от словосочетания metal interface engineering crossed with electrostatic doping, то есть "инжиниринг металлических поверхностей в сочетании с электростатическим легированием".

В рамках этого подхода к каждой нанотрубке прикрепляются наночастицы металла. Платина делает её p-транзистором, титан – n-транзистором.

Другие тонкости технологии MIXED позволяют настраивать баланс между энергопотреблением транзистора и скоростью его работы. Например, в сервере, который обязан ежесекундно производить колоссальное число операций, лучше иметь процессоры из высокопроизводительных транзисторов. Дополнительное энергопотребление здесь не проблема, ведь система всегда подключена к электросети. Мобильному устройству, напротив, не нужна особая вычислительная мощь, зато стоит поберечь заряд батареи.

На данный момент авторы работают над внедрением разработанных методов в стандартные технологические цепочки производства микросхем. Цель состоит в том, чтобы предприятиям, перешедшим от изготовления кремниевых микрочипов к выпуску углеродных, приходилось вносить как можно меньше изменений в отлаженные процессы.

По мнению авторов, появление новой вычислительной техники на рынке практически неизбежно.

"Мы думаем, что это уже вопрос не "если", а "когда", – отмечает Шулакер.

По оценкам исследователей, первый коммерческий микропроцессор на углеродных нанотрубках может появиться в течение пяти лет.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о гибком суперконденсаторе и подкожном датчике на нанотрубках.