作者罗布·马西森，麻省理工学院 由碳纳米管场效应晶体管制成的现代微处理器的特写镜头
信用:菲利斯·弗兰克尔 经过多年应对众多设计和制造挑战，麻省理工学院的研究人员已经用碳纳米管晶体管制造了一种现代微处理器，人们普遍认为碳纳米管晶体管是传统硅晶体管的更快、更环保的替代品
今天发表在《自然》杂志上的微处理器可以用传统的硅芯片制造工艺制造，这代表着碳纳米管微处理器向实用化迈出了一大步
硅晶体管——在1位和0位之间切换以进行计算的关键微处理器组件——已经支撑了计算机行业几十年
正如摩尔定律所预测的那样，工业已经能够每隔几年缩小规模，将更多的晶体管塞进芯片，以帮助进行越来越复杂的计算
但是专家们现在预见到了硅晶体管将停止缩小并变得越来越低效的时候
制造碳纳米管场效应晶体管已经成为制造下一代计算机的主要目标
研究表明，与硅相比，碳纳米管场效应晶体管具有约10倍的能量效率和更高的速度
但是当大规模制造时，晶体管通常会有许多影响性能的缺陷，所以它们仍然不实用
麻省理工学院的研究人员发明了新技术，利用传统硅芯片制造厂的工艺，极大地限制了缺陷，并实现了制造碳纳米管场效应晶体管的全功能控制
他们展示了一个16位微处理器，拥有超过14000个中枢神经场效应晶体管，可以执行与商用微处理器相同的任务
《自然》杂志的论文描述了微处理器的设计，包括超过70页的制造方法细节
微处理器基于RISC-V开源芯片架构，该架构具有一组微处理器可以执行的指令
研究人员的微处理器能够准确地执行整套指令
它还执行了经典“你好，世界！”程序，打印出来，“你好，世界！我是RV16XNano，用碳纳米管做的
" “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，”合著者马克斯·M
舒拉克，伊曼纽尔·兰德斯曼电气工程和计算机科学(EECS)职业发展助理教授，微系统技术实验室成员
“硅是有限制的
如果我们想继续在计算方面取得进展，碳纳米管是克服这些限制的最有希望的方法之一
[论文]完全重新发明了我们如何用碳纳米管制造芯片
" 加入舒拉克论文的有:第一作者和博士后盖奇希尔，研究生克里斯蒂安刘，安德鲁·赖特，明迪博士
主教、如来·斯里马尼、普利帕尔·坎海亚、丽贝卡·何和阿雅·阿迈尔，全EECS；Arvind，计算机科学与工程约翰逊教授，计算机科学与人工智能实验室研究员；阿南塔·钱德拉卡桑，工程学院院长，万尼瓦尔·布什电气工程和计算机科学教授；和塞缪尔·富勒，尤西·斯坦，丹尼斯·墨菲，所有的模拟设备
与“克星”战斗 该微处理器建立在舒拉克和其他研究人员六年前设计的一个迭代的基础上，该迭代只有178个中枢神经场效应晶体管，运行在一个数据位上
从那以后，舒拉克和他在麻省理工学院的同事解决了生产这种器件的三个具体挑战:材料缺陷、制造缺陷和功能问题
希尔斯负责微处理器的大部分设计，而刘则负责大部分制造
麻省理工学院的工程师用碳纳米管场效应晶体管(如图)制造了一种现代微处理器，这种晶体管被认为比硅晶体管更快、更环保
这种新方法使用了与硅芯片相同的制造工艺
学分:麻省理工学院 舒拉克说，多年来，碳纳米管固有的缺陷一直是“该领域的祸根”
理想情况下，中央场效应晶体管需要半导体特性来打开或关闭其导电性，对应于位1和位0
但不可避免的是，一小部分碳纳米管是金属的，会减缓或停止晶体管的开关
为了应对这些故障，先进的电路将需要大约99纳米的碳纳米管
999999%的纯度，这在今天几乎不可能生产
研究人员想出了一种叫做做梦的技术(“针对金属碳纳米管设计弹性”的首字母缩略词)，该技术以不会干扰计算的方式定位金属碳纳米管
通过这样做，他们将严格的纯度要求放宽了大约4个数量级，即10000倍，这意味着他们只需要大约99%的碳纳米管
99%的纯度，这在目前是可能的
设计电路基本上需要一个附着在晶体管上的不同逻辑门的库，这些逻辑门可以组合起来，比如说，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
研究人员意识到，金属碳纳米管对这些门的不同配对有不同的影响
例如，门甲中的单个金属碳纳米管可能会断开门甲和门乙之间的连接
但是在门B中的几个金属碳纳米管可能不会影响它的任何连接
在芯片设计中，有许多方法可以在电路上实现代码
研究人员进行了模拟，以找到所有不同的栅极组合，这些组合对于任何金属碳纳米管来说都是鲁棒的，而不是鲁棒的
然后，他们定制了一个芯片设计程序，自动学习最不可能受到金属碳纳米管影响的组合
当设计一个新的芯片时，程序将只利用健壮的组合而忽略脆弱的组合
舒拉克说:“这个‘梦’的双关语是有意的，因为它是梦的解决方案。”
“这让我们可以从货架上购买碳纳米管，将它们放到晶片上，然后像平常一样构建我们的电路，而不需要做任何其他特别的事情
" 剥落和调整 碳纳米管场效应晶体管的制造始于将溶液中的碳纳米管沉积到具有预先设计的晶体管结构的晶片上
然而，一些碳纳米管不可避免地随机粘在一起形成大束——就像意大利面条形成小球——在芯片上形成大颗粒污染
为了清除这种污染，研究人员创造了冲洗法(用于“通过选择性剥离去除孵化的纳米管”)
用促进碳纳米管粘附的试剂预处理晶片
然后，将晶片涂上某种聚合物，并浸入特殊溶剂中
这将洗去聚合物，聚合物只会带走大束，而单个碳纳米管仍然粘在晶片上
与类似方法相比，该技术使芯片上的粒子密度降低了约250倍
最后，研究人员解决了中枢神经胎儿常见的功能问题
二进制计算需要两种类型的晶体管:“N”型晶体管，1位时开启，0位时关闭，“P”型晶体管则相反
传统上，用碳纳米管制造这两种类型的晶体管具有挑战性，通常生产出性能各异的晶体管
为了解决这个问题，研究人员开发了一种称为混合(MIXED)的技术(用于“与静电掺杂交叉的金属界面工程”)，它可以精确地调整晶体管的功能和优化
在这种技术中，他们将某些金属——铂或钛——附着在每个晶体管上，这样就可以将晶体管固定为磷或氮
然后，他们通过原子层沉积在一种氧化物化合物中涂覆阴极射线管，这使得他们能够针对特定的应用调整晶体管的特性
例如，服务器通常需要速度很快的晶体管，但是会消耗能量和功率
另一方面，可穿戴设备和医用植入物可能会使用速度更慢、功耗更低的晶体管
主要目标是让芯片进入现实世界
为此，研究人员现在已经开始通过支持这项研究的国防高级研究项目局的一个项目，将他们的制造技术应用到硅芯片铸造厂
虽然没人能说完全由碳纳米管制成的芯片什么时候会上市，但舒拉克说可能不到五年
“我们认为这不再是一个是否，而是何时的问题，”他说
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