Nanorurki węglowe zastąpią krzem? Prace już trwają

mm Paweł Maretycz Artykuły 2019-09-03

Krzem okazał się olbrzymim skokiem w przyszłość. Układy i elementy wykorzystujące jego zdolności do półprzewodnictwa zrewolucjonizowały elektronikę. Dzięki niemu mogliśmy przejść z dużych, ciężkich i niezwykle energochłonnych lamp elektronowych do układów wielkości główki od szpilki. Niestety, on także ma swoje ograniczenia. Jesteśmy coraz bliżej osiągnięcia granicy tego, co może nam zaoferować jako materiał do tworzenia mikroprocesorów. Dlatego wciąż szukamy alternatywy. Czegoś, co sprawi, że będziemy mogli zamienić krzem na inny materiał i kontynuować rozwój elektroniki. Co ważniejsze mamy w tej dziedzinie coraz większe sukcesy dzięki układom z nanorurek węglowych.

Nanorurki węglowe to przyszłość elektroniki?

Nanorurki węglowe

Inżynierowie z MIT i Analog Devices stworzyli najbardziej skomplikowaną konstrukcję układu scalonego, która wykorzystuje tranzystory wykonane z nanorurek węglowych zamiast krzemu. Chip został wyprodukowany przy użyciu nowych technologii sprawdzonych w komercyjnym zakładzie produkcji chipów. Wydaje się, że naukowcy wybrali architekturę zestawu instrukcji RISC-V (ISA) do zaprojektowania układu, prawdopodobnie ze względu na jej otwartą naturę. Dzięki temu uniknęli kłopotów z ograniczeniami licencyjnymi i kosztami. Warto tutaj dodać, że RISC-V jest coraz popularniejszy właśnie z tego powodu. Procesor RISC-V obsługuje instrukcje 32-bitowe i zajmuje się 16-bitowym adresowaniem pamięci. Chip nie jest jeszcze przeznaczony do użytku w urządzeniach głównego nurtu. Jednak jest to mocny dowód koncepcji, która może już działać w aplikacjach typu hello world.

Dlaczego nanorurki?

Jedną z zalet tranzystorów wykonanych z nanorurek węglowych w porównaniu z tranzystorami silikonowymi jest to, że mogą one być produkowane w wielu warstwach, co pozwala na bardzo gęste konstrukcje układów 3D. DARPA wierzy również, że nanorurki węglowe mogą pozwolić na produkcję przyszłych układów 3D o osiągach podobnych lub lepszych niż układy krzemowe. Kolejną nieocenioną zaletą jest to, że mogą być również produkowane przy znacznie niższych kosztach. Ponieważ prawo Moorea zwolniło w ostatniej dekadzie — chociaż nie wszyscy zgodziliby się z tym stwierdzeniem — produkcja chipów staje się coraz droższa. W miarę wzrostu kosztów produkcji układów krzemowych, tranzystory węglowo-nanorurowe mogą stać się bardziej atrakcyjne i opłacalne, nawet jeśli są znacznie mniej sprawdzone w świecie rzeczywistym niż tranzystory krzemowe.

Jak to się zaczęło?

Asystent profesora MIT Max Shulaker rozpoczął pracę nad tym projektem dziesięć lat temu. W 2013 roku jego zespół był w stanie zaprezentować jednobitowy procesor 178-tranzystorowy. Teraz jego zespół był w stanie stworzyć procesor RISC-V z tranzystorowym procesorem 15 000, obsługujący instrukcje 32-bitowe i 16-bitowe dane.

Dziesięć lat temu mieliśmy nadzieję, że jest to możliwe. Teraz wiemy, że jest to możliwe…. i wiemy, że można to zrobić w obiektach komercyjnych.

Jak stworzono RV16X-NANO?

Inżynierowie z MIT, Analog Devices, a później Skywater Technology Foundry, stworzyli układ RISC-V, nazwany RV16X-NANO. Osiągnęli to, opracowując trzy nowe komercyjnie opłacalne technologie w celu obejścia kwestii czystości i jednorodności nanorurek niskowęglowych, jak również nie będąc w stanie stworzyć komplementarnych tranzystorów typu n i typu p w celu utworzenia komplementarnych obwodów logicznych. Próbując stworzyć tranzystory węglowo-nanorurowe, roztwór rozprzestrzenia się na płytce krzemowej. Jednakże nanorurki węglowe mają tendencję do grupowania się w wiązki po 1000 lub więcej. Niestety, ale wiązki te nie mogą być wykorzystywane do tworzenia tranzystorów. Jest to problem dla produkcji chipów na dużą skalę, jeśli dzieje się to zbyt często, ponieważ wtedy zbyt wiele chipów musiałoby zostać wyrzuconych.

Zobacz też: Wyciekły nieoficjalne specyfikacje tegorocznych iPhone’ów. Mówiąc krótko: nic specjalnego

Jeden z uczniów Shulakera, Christian Lau, był w stanie wymyślić rozwiązanie, zwane RINSE, które pozwoliłoby producentowi zmyć wiązki nanorurek węglowych z płytki. Tym samym pozostawi za sobą tylko jednorodne i działające tranzystory. Doktor naukowy Gage Hill z zespołu był również w stanie wymyślić drugie rozwiązanie, zwane DREAM. Pozwala ono ominąć kwestię czystości, która dotknęła wszystkie firmy produkujące półprzewodniki, które do tej pory próbowały zbudować węglowe nanorurki.

Wciąć jest jednak wiele problemów

Najlepsze procesy komercyjne mogą obecnie produkować tylko 99,99% nanorurek półprzewodnikowych i 0,01% nanorurek metalowych. Jest to zbyt niskim poziomem czystości, aby mogło być użyteczne przy budowie złożonych nanorurek węglowych. Hill zauważył, że największym problemem przy niskim poziomie czystości nie jest wysokie zużycie energii, ale zakłócenia. Gdy tylko on i jego zespół dowiedzieli się o tym, zaczęli szukać rozwiązania problemu. Postawili na łączenie bramek logicznych w sposób obniżający poziom zakłóceń. Trzeci przełom, zwany MIXED, umożliwił inżynierom stworzenie tranzystorów przewodzących elektrony (NMOS) i przewodzących dziury elektronowe (PMOS). Te dwa rodzaje tranzystorów są już od dziesięcioleci stosowane w układach krzemowych, ale nie w układach węglowo-nanorurowych.

Pierwszy jednobitowy układ scalony shulakera wykorzystywał wyłącznie tranzystory PMOS. Proces MIXED jest procesem niskotemperaturowym, więc tranzystory mogą być budowane na innych warstwach układu bez ich uszkadzania. W swojej pracy Shulaker i jego zespół rozmawiali o wszystkich ograniczeniach konstrukcji układu. Jedną z bardziej widocznych jest to, że prędkość zegara wynosi tylko 10 kHz. Procesory węglowo-nanorurowe są nadal w fazie eksperymentalnej. Budzą jednak przy tym wiele nadziei. Ich początkowym rynkiem docelowym może być coś, co nie wymaga wysokiej wydajności. W takim wypadku wybór architektury RISC-V jest dodatkowo uzasadniony.

Źródło: Tomshardware






Przewiń stronę, by przeczytać kolejny wpis
x