p Depois de anos enfrentando vários desafios de design e fabricação, Os pesquisadores do MIT construíram um microprocessador moderno a partir de transistores de nanotubos de carbono, que são amplamente vistos como mais rápidos, alternativa mais verde para suas contrapartes de silício tradicionais. p O microprocessador, descrito hoje no jornal Natureza , pode ser construído usando processos tradicionais de fabricação de chips de silício, representando um passo importante para tornar os microprocessadores de nanotubos de carbono mais práticos.

p Os transistores de silício - componentes críticos do microprocessador que alternam entre 1 e 0 bits para realizar cálculos - carregam a indústria de computadores há décadas. Conforme previsto pela Lei de Moore, a indústria tem sido capaz de encolher e empinar mais transistores em chips a cada dois anos para ajudar a realizar cálculos cada vez mais complexos. Mas os especialistas agora preveem um tempo em que os transistores de silício vão parar de encolher, e se tornam cada vez mais ineficientes.

p A fabricação de transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono (CNFET) tornou-se um dos principais objetivos para a construção de computadores de próxima geração. A pesquisa indica que os CNFETs têm propriedades que prometem cerca de 10 vezes a eficiência energética e velocidades muito maiores em comparação com o silício. Mas quando fabricado em escala, os transistores geralmente vêm com muitos defeitos que afetam o desempenho, então eles permanecem impraticáveis.

p Os pesquisadores do MIT inventaram novas técnicas para limitar drasticamente os defeitos e permitir o controle funcional total na fabricação de CNFETs, usando processos em fundições tradicionais de chips de silício. Eles demonstraram um microprocessador de 16 bits com mais de 14, 000 CNFETs que executam as mesmas tarefas que os microprocessadores comerciais. O artigo da Nature descreve o design do microprocessador e inclui mais de 70 páginas detalhando a metodologia de fabricação.

p O microprocessador é baseado na arquitetura de chip de código aberto RISC-V que possui um conjunto de instruções que um microprocessador pode executar. O microprocessador dos pesquisadores foi capaz de executar o conjunto completo de instruções com precisão. Ele também executou uma versão modificada do clássico "Olá, World! "Programa, imprimindo, "Olá, Mundo! Eu sou RV16XNano, feito de CNTs. "

p "Este é de longe o chip mais avançado feito de qualquer nanotecnologia emergente que seja promissora para computação de alto desempenho e eficiência energética, "diz o co-autor Max M. Shulaker, o Emanuel E Landsman Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e membro dos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas. “Existem limites para o silício. Se quisermos continuar tendo ganhos em computação, os nanotubos de carbono representam uma das formas mais promissoras de superar esses limites. [O artigo] reinventa completamente como construímos chips com nanotubos de carbono. "

p Juntando-se a Shulaker no papel estão:primeiro autor e pós-doutorado em Gage Hills, alunos de graduação Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho, e Aya Amer, todas as EECS; Arvind, o professor Johnson de Ciência da Computação e Engenharia e pesquisador do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial; Anantha Chandrakasan, o reitor da Escola de Engenharia e o Professor Vannevar Bush de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação; e Samuel Fuller, Yosi Stein, e Denis Murphy, todos os dispositivos analógicos.

p Lutando contra a "maldição" dos CNFETs

p O microprocessador se baseia em uma iteração anterior projetada por Shulaker e outros pesquisadores seis anos atrás, que tinha apenas 178 CNFETs e rodava com um único bit de dados. Desde então, Shulaker e seus colegas do MIT enfrentaram três desafios específicos na produção dos dispositivos:defeitos de material, defeitos de fabricação, e questões funcionais. Hills fez a maior parte do projeto do microprocessador, enquanto Lau cuidava da maior parte da fabricação.

p Por anos, os defeitos intrínsecos aos nanotubos de carbono têm sido uma "maldição do campo, "Shulaker diz. Idealmente, Os CNFETs precisam de propriedades semicondutoras para ligar e desligar sua condutividade, correspondendo aos bits 1 e 0. Mas, inevitavelmente, uma pequena porção dos nanotubos de carbono será metálica, e diminuirá ou interromperá a comutação do transistor. Para ser robusto a essas falhas, circuitos avançados precisarão de nanotubos de carbono com cerca de 99,999999 por cento de pureza, o que é virtualmente impossível de produzir hoje.

p Os pesquisadores criaram uma técnica chamada DREAM (um acrônimo para "projetar resiliência contra CNTs metálicos"), que posiciona CNFETs metálicos de uma forma que não atrapalhe a computação. Ao fazer isso, eles relaxaram essa exigência de pureza estrita em cerca de quatro ordens de magnitude - ou 10, 000 vezes, o que significa que eles só precisam de nanotubos de carbono com pureza de cerca de 99,99 por cento, que atualmente é possível.

p O projeto de circuitos requer basicamente uma biblioteca de portas lógicas diferentes conectadas a transistores que podem ser combinadas a, dizer, crie somadores e multiplicadores - como combinar letras do alfabeto para criar palavras. Os pesquisadores perceberam que os nanotubos de carbono metálico impactaram diferentes pares dessas portas de forma diferente. Um único nanotubo de carbono metálico no portão A, por exemplo, pode quebrar a conexão entre A e B. Mas vários nanotubos de carbono metálico nos portões B podem não impactar nenhuma de suas conexões.

p No design do chip, existem muitas maneiras de implementar código em um circuito. Os pesquisadores fizeram simulações para encontrar todas as combinações de portas diferentes que seriam robustas e não seriam robustas a nenhum nanotubo de carbono metálico. Eles então personalizaram um programa de design de chip para aprender automaticamente as combinações menos prováveis ​​de serem afetadas por nanotubos de carbono metálico. Ao projetar um novo chip, o programa utilizará apenas as combinações robustas e ignorará as combinações vulneráveis.

p "O trocadilho" DREAM 'é muito intencional, porque é a solução dos sonhos, "Shulaker diz." Isso nos permite comprar nanotubos de carbono da prateleira, jogue-os em uma bolacha, e apenas construir nosso circuito normalmente, sem fazer nada de especial. "

p Esfoliante e afinação

p A fabricação do CNFET começa com o depósito de nanotubos de carbono em uma solução em um wafer com arquiteturas de transistor predefinidas. Contudo, alguns nanotubos de carbono inevitavelmente se juntam aleatoriamente para formar grandes feixes - como fios de espaguete formados em pequenas bolas - que formam grande contaminação por partículas no chip.

p Para limpar essa contaminação, os pesquisadores criaram o RINSE (para "remoção de nanotubos incubados por meio de esfoliação seletiva"). O wafer é pré-tratado com um agente que promove a adesão do nanotubo de carbono. Então, o wafer é revestido com um certo polímero e mergulhado em um solvente especial. Isso lava o polímero, que só leva embora os grandes pacotes, enquanto os nanotubos de carbono individuais permanecem presos ao wafer. A técnica leva a uma redução de cerca de 250 vezes na densidade das partículas no chip em comparação com métodos semelhantes.

p Por último, os pesquisadores abordaram problemas funcionais comuns com CNFETs. A computação binária requer dois tipos de transistores:tipos "N", que liga com 1 bit e desliga com 0 bit, e tipos "P", que fazem o oposto. Tradicionalmente, fazer os dois tipos de nanotubos de carbono tem sido um desafio, frequentemente produzindo transistores que variam em desempenho. Para esta solução, os pesquisadores desenvolveram uma técnica chamada MIXED (para "engenharia de interface de metal cruzada com dopagem eletrostática"), que ajusta precisamente os transistores para função e otimização.

p Nesta técnica, eles anexam certos metais a cada transistor - platina ou titânio - o que permite que eles fixem esse transistor como P ou N. Então, eles revestem os CNFETs em um composto de óxido por meio de deposição de camada atômica, o que lhes permite ajustar as características dos transistores para aplicações específicas. Servidores, por exemplo, frequentemente requerem transistores que agem muito rápido, mas consomem energia e potência. Vestíveis e implantes médicos, por outro lado, pode usar mais devagar, transistores de baixa potência.

p O objetivo principal é colocar as fichas no mundo real. Para esse fim, os pesquisadores agora começaram a implementar suas técnicas de fabricação em uma fundição de chips de silício por meio de um programa da Defense Advanced Research Projects Agency, que apoiou a pesquisa. Embora ninguém possa dizer quando os chips feitos inteiramente de nanotubos de carbono chegarão às prateleiras, Shulaker diz que pode demorar menos de cinco anos. "Achamos que não é mais uma questão de se, mas quando, " ele diz. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.