今天，來自MIT的Gage Hills等人今天在Nature發表論文，報告了碳納米管晶片製造領域的一項重大進展：一個完全由碳納米電晶體構成的16位微處理器。這是迄今為止用碳納米管制造的最大的計算機晶片。
幾十年來，電子技術的進步一直由矽電晶體尺寸的不斷縮小而推動。然而，矽電晶體縮小變得越來越困難，現在的收益正在遞減。
以半導體碳納米管為基礎的電晶體作為先進微電子器件中矽電晶體的替代品，顯然很有前景。但碳納米管固有的納米級缺陷和可變性，以及處理它們面臨的挑戰，阻礙了它們在微電子領域的實際應用。
一個完整RV16XNANO裸片的顯微圖像。處理器核心位於裸片中間，測試電路環繞在外圍
作者表示，他們利用14000多個碳納米管電晶體製造出一個16位微處理器，證明可以完全由碳納米管場效應電晶體(CNFET)打造超越矽的微處理器，其設計和製造方法克服了之前與碳納米管相關的挑戰，有望為先進微電子裝置中的矽帶來一種高效能的替代品。
他們將這個處理器命名為RV16X-NANO，這款16位的微處理器基於RISC-V指令集，在16位數據和地址上運行標準的32位指令，包含14000多個互補金屬氧化物半導體 CNFET，並使用行業標準的工藝流程進行設計和製造。
一個完整的RV16X-NANO 150毫米晶圓，每個晶圓包含32個裸片
具體而言，Hills及同事提出一套碳納米管的製造方法，包括綜合處理和設計技術，以克服整個晶圓宏觀尺度上的納米級缺陷。
他們利用一種剝落工藝防止碳納米管聚合在一起，以防電晶體無法正常工作。此外，通過細緻的電路設計（減少了金屬型碳納米管而非半導體型碳納米管的數量，後者的存在不會影響電路的功能），他們還克服了一些和碳納米管雜質相關的問題。
作者將其微處理器命名為「RV16X-NANO」，並在測試中成功執行了一個程序，生成消息：「你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成。」
「你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成」
克服三大缺陷，提出完整碳納米管制造方法
碳納米管(Carbon Nanotube ，縮寫為 CNT)是一種直徑僅為 1 納米，或十億分之一米的管狀納米級石墨晶體。幾天前在Hot Chips會議上，臺積電研發負責人黃漢森(Phillip Wong)在談到未來要將電晶體將縮小到0.1nm尺度，便提出碳納米管作為一種使電晶體更快、更小的新技術，正在變得切實可用。
在過去10年中，CNT技術已經得到快速的發展，以往的研究已經實現單個CNFET、單個數字邏輯門，乃至小型的數字電路和系統。2013年，MIT的研究組實現了一個完整的數字系統演示：一個由178個CNFET組成的計算機原型，但它所能做的很有限，只實現了在單個數據位上操作的單條指令。
圖1：RV16X-NANO。a是製備的RV16X-NANO晶片，裸片面積6.912 mm×6.912 mm
這些小規模的演示與包含數萬個(例如微處理器)甚至數十億個(例如高性能計算伺服器) FET的現代系統之間仍然存在很大的脫節。
具體到CNT，存在三個內在的挑戰：材料缺陷、製造缺陷和可變性。
材料缺陷：由於無法精確控制碳納米管的直徑，導致每次合成的碳納米管中都含有一定比例的金屬CNT，這會導致高洩漏電流和潛在的錯誤邏輯功能。
製造缺陷：在晶圓製造過程中，CNT天生地「捆綁」在一起，形成厚的CNT聚集體，這會導致CNFET失效(降低CNFET電路成品率)，以及超大規模集成電路(VLSI)製造過程中令人望而卻步的高顆粒汙染率。
可變性：以前實現CNT CMOS的技術要麼依賴於極強反應性、非空氣穩定、非矽CMOS兼容的材料，要麼缺乏可微調性、穩健性和重現性。這嚴重限制了CNT CMOS的複雜性。
在這項工作中，作者克服了固有的CNT缺陷和變化性，成功製造出超越矽的現代微處理器：RV16X-NANO，其設計和製造完全使用碳納米管電晶體。
他們提出一套碳納米管制造方法(manufacturing methodology for CNTs，MMC)，將原始的處理和電路設計技術結合起來克服了固有的碳納米管的挑戰。
圖4：MMC。RV16X-NANO的設計和製造流程
MMC的關鍵要素是：
RINSE(removal of incubated nanotubes through selective exfoliation)。提出一種通過選擇性機械剝落工藝去除CNT聚集體缺陷的方法。在不影響非聚集CNTs或降低CNFET性能的情況下，RINSE方法可將CNT聚集體缺陷密度降低>250倍。
MIXED(metal interface engineering crossed with electrostatic doping)。所提出的 CNT 摻雜工藝結合了金屬接觸功函數工程和靜電摻雜，可實現穩健的晶圓級 CNFET CMOS 工藝
DREAM(designing resiliency against metallic CNTs)。該技術通過電路設計完全克服了金屬碳納米管的存在。DREAM將對金屬CNT純度的要求放寬了1萬倍左右(從半導體CNT純度要求99.999999%放寬到99.99%)，不需要額外的加工步驟或冗餘。DREAM是使用標準的電子設計自動化(EDA)工具實現的，成本最低，並使具有CNT純度的數字VLSI系統可以商用。
更重要的是，整個MMC是晶圓級的，與超大規模集成電路兼容，並且在設計和處理方面與現有的矽集成電路基礎設施無縫集成。
具體來說，RV16X-NANO是使用標準EDA工具設計的，並且只利用了與商用矽CMOS製造設施兼容的材料和工藝。
總之，這些貢獻構建起強大的CNT CMOS技術，並代表了超越矽的電子發展的一個重要裡程碑。
RV16X-NANO的架構和設計
作者開發了一種可行的納米電晶體技術，提供兩種電晶體：p型金屬氧化物半導體(PMOS)和n型金屬氧化物半導體(NMOS)。在數字電子學中，計算被分成一系列基本(邏輯)操作，這些操作由稱為邏輯電路的部件執行。目前電子工業中這些電路的設計是基於互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術的，需要PMOS和NMOS電晶體。
當一個負(或正)電壓被施加到一個稱為柵極的電極上時，PMOS(或NMOS)電晶體就被接通。該電極控制兩個電極(源極和漏極)之間通道的導電性(在本例中通道由碳納米管組成)。當一個PMOS電晶體和一個NMOS電晶體串聯時，結果是一個稱為逆變器(inverter)的元件(如下圖所示)。如果對這樣的逆變器施加低電壓，輸出電壓就會很高，反之亦然。這個元件是Hills及其同事設計的計算機中所有邏輯電路的基本組成部分。
一個碳納米管逆變器
作者通過在基板上形成隨機分布的高純度(99.99%)半導體納米管網絡來製作電晶體。它的形成過程類似於將一碗煮熟的義大利麵倒在一個表面上，然後將所有不與表面直接接觸的麵條去除。其結果是基板上覆蓋有一層大致是單層的隨機取向的納米管。
圖2：RV16X-NANO的架構和設計
然後，Hills等人在納米管上沉積金屬，將它們與源極和漏極連接起來。這種金屬的功函數(從表面去除電子所需的能量)取決於該器件是PMOS電晶體還是NMOS電晶體。作者用精心挑選和修剪過的氧化物材料覆蓋了每根納米管的其餘部分，以便將納米管與其周圍環境隔離開來，並調整它們的性能。原則上，基板不需要由矽製成；它只需要是平的。此外，加工過程發生在相對較低的溫度(約200-325℃)，因此可以很容易堆疊其他功能層。
我是RV16XNano，由碳納米管制成。
現代計算機設計是基於標準單元庫的。Hills和他的同事們設計了使用商用傳統設計工具來構建計算機架構所必需的所有標準單元。由於半導體納米管的純度為99.99%，其中約0.01%是金屬(非半導體)，可能會危害電路。然而，某些標準單元的組合比其他更容易受到金屬納米管的影響。因此，作者強制執行修改後的設計規則，將這種脆弱的組合排除在外。
有了這些工具，他們就可以通過讓計算機執行「Hello, World」(一個在運行時輸出「Hello, World」消息的簡單程序)來設計、製造和測試他們的處理器了。
圖3：RV16X-NANO實驗結果。a、實驗測量波形來自RV16X-NANO，執行了著名的「Hello, World」程序。
Hills及其同事的碳納米管處理器基於CMOS技術，在16位數據上運行32位指令，電晶體通道長度約為1.5微米。因此，它可以與基於矽的英特爾80386處理器相比較，後者是1985年推出的，具有類似的規格。早期的80386可以以16兆赫的頻率處理指令，而碳納米管處理器的最大處理頻率約為1兆赫。造成這種差異的原因在於電子元件的電容(電荷存儲能力)，以及最小電晶體所能輸出的電流量。
數字邏輯僅僅涉及電晶體柵極和互連進行充電和放電。充電和放電的速度取決於電晶體所能提供的電流的大小，這與電晶體的寬度和長度有關。一個設計良好的矽電晶體可以提供大約寬度每微米1毫安的電流(1 mA m) 。相比之下， Hills 等人使用的典型納米管電晶體，只能提供大約6A m。這是該處理器的未來版本主要需要改進的地方。
增加電流的第一步是減小電晶體通道的長度。已經證明納米管電晶體的通道長度可以縮減到5納米。第二步是將每個通道的納米管密度從每微米10個納米管增加到每微米500個納米管。
對於這些隨機分布的納米管網絡，可實現的密度可能會存在上限，但沉積技術已經被證明能夠將這種網絡的電流提高到1.7 mA m。
第三步是減小電晶體的寬度，從而減小源極和漏極的寬度，使這些電極能更快地充放電。縮小電晶體尺寸對於以納米管為基礎、以千兆赫頻率工作的CMOS技術來說是必不可少的
Hills及其同事的研究成果是基於對每個電晶體通道中幾個納米管性能進行平均。在未來的大規模納米管計算機中，PMOS和NMOS電晶體將只包含一個納米管。這些納米管必須是半導體的：如果逆變器中的兩個納米管中有一個是金屬的，那麼沒有任何設計技巧可以解決這個問題。
這項工作毫無疑問是一個偉大的成就，涉及從材料科學到加工技術、從電路設計到電氣測試等許多研究課題。當然，在實現商用之前，還需要更多的努力。
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