作為 0 與 1 之間計算轉換的關鍵性微處理器組件——矽電晶體，已經在計算機行業中存在了幾十年。正如摩爾定律所預測的，業界可以通過不斷地縮小其規模，每隔幾年就能在晶片上塞入更多的電晶體，以便提高性能去進行日益複雜的計算。但最近有許多專家預測，未來有一天矽電晶體將不能再繼續縮小，也會變得愈發低效。
製造碳納米管場效應電晶體（Carbon Nanotube Field-Effect Transistors，CNFET）已成為下一代計算機的主要目標。研究表明，CNFET 具有矽 10 倍左右的能源效率和更快的運行速度。雖然人們普遍認為，與傳統的矽材料相比，碳納米管電晶體是一種更快、更環保的替代品。但其在大規模生產時往往會產生許多影響性能的缺陷，使它仍有些脫離實際。
麻省理工學院（MIT）的研究人員經過多年的潛心專研，用碳納米管電晶體製造出一種現代微處理器。並且，他們採用了與傳統矽晶片的製造工藝相同的生產方法，這給下一代計算機的發展帶來了關鍵性突破，也是碳納米管微處理器邁向更實用化的重要一步。值得注意的是，研究人員預計這種完全由碳納米管制成的晶片，可能在五年內得以上市。
圖 | 16 位碳納米管微處理器（來源：Gage Hills，MIT）
這款碳納米管微處理器的論文，發表在今天出版的 Nature 雜誌上。論文中描述了 MIT 的研究人員如何利用傳統的矽晶片鑄造廠工藝發明了新技術，可以極大地限制碳納米管在生產過程中產生缺陷，並實現了 CNFET 在製造過程中的全功能控制；同時展示了一款具有超過 14,000 個 CNFET 的 16 位微處理器，它可以執行與商用微處理器相同的任務。雜誌還提供了 70 多頁的詳細製造方法。
該 16 位微處理器基於 RISC-V 開源晶片架構，並具有一組微處理器可以執行的指令。研究人員的微處理器能夠準確地執行整套指令，同時還執行了經典的「 Hello, World！」程序，對外說出：「你好，世界！我是由碳納米管制成的 RV16X-NANO。」
」這是迄今為止由新興納米技術製成的最先進的晶片，有望實現高性能和節能計算，」論文合著者 Max M. Shulaker 說，他也是電氣工程和計算機科學（EECS）學院的助理教授和微系統技術實驗室的成員。
「矽是有限制的。如果我們想在計算領域繼續取得進展，碳納米管是最有希望克服這些限制的方法之一。這篇論文徹底改變了我們用碳納米管制造晶片的方式。」 Shulaker 說。
圖 | 打招呼並自我介紹（來源：Gage Hills，MIT）
搬開 CNFET 的「絆腳石」
這款新的 16 位微處理器是 Shulaker 和其他研究人員在 6 年前設計的上一個版本基礎上開發的，當時的版本只有 178 個 CNFET，並且只在一個數據 bit 上運行。從那時起，Shulaker 和麻省理工學院的同事們就開始著手解決生產碳納米管微處理器的 3 個最大挑戰：材料缺陷、製造缺陷和功能問題。Gage Hills 負責大部分的微處理器設計工作，而 Christian Lau 則負責大部分的製造工作。
多年以來，碳納米管固有的缺陷一直是該研究領域的「絆腳石」。Shulaker 說：「理想情況下，CNFET 需要半導體特性來控制其導電性，與 0 和 1 相對應（即開關功能）。但不可避免的是，一小部分碳納米管將是金屬性的，這將減緩或阻止電晶體的開關。為了避免這些問題，一個先進的電路可能需要純度在 99.999999% 左右的碳納米管，而這在今天幾乎是不可能生產出來的。」
因此，研究人員提出了一種名為 DREAM （designing resiliency against metallic CNTs，設計抗金屬性的碳納米管）的技術，這個方法可以讓碳納米管的金屬性不會干擾到計算。在此過程中，他們將嚴格的純度要求降低了約 4 個數量級，即縮小了 10,000 倍，這意味著他們只需要純度達到 99.99% 左右的碳納米管，而這是目前可以製備出來的。
設計電路通常需要一個由連接到電晶體上的不同邏輯門組成的庫，這些邏輯門可以組合在一起，就像字母組合在一起拼出單詞一樣來創建加法器和乘法器。研究人員發現，金屬性的碳納米管對這些門的不同組合的影響是不同的。例如，A 門中的一個金屬性碳納米管可能會破壞 A 和 B 之間的連接，但 B 門中的幾個金屬性碳納米管可能不會影響 A 和 B 之間的任何連接。
在晶片設計中，有許多方法在電路上實現代碼。研究人員進行了模擬，以探索怎樣使所有不同門的組合都是穩定可靠的，且對於所有金屬性的碳納米管都是相反的。然後，他們定製了一個晶片設計程序，自動地尋找最不受金屬性碳納米管影響的組合。在設計新晶片時，程序只利用穩定可靠的（魯棒）組合，同時忽略了那些不穩定的組合方式。
圖 | 一個完整的製造 RV16X-NANO 模具的顯微鏡圖片（Gage Hills，MIT）
Shulaker 說：「『DREAM（夢想）』這個雙關語非常有意義，因為它確實是人們夢想的解決方案。這個方法可以讓我們直接購買現成的碳納米管，再把它們放到晶圓片上，就和平常一樣去構建我們的電路，而不需要做任何特殊的事情。」
找到製造工藝上訣竅
CNFET 製造的第一步，就是將碳納米管在溶液中沉積到具有預先設計好電晶體結構的晶圓上。然而，在這個過程中一些碳納米管會不可避免地隨機粘在一起，形成像義大利麵串成小球一樣的大束，這樣就在晶片上形成了大顆粒汙染物。
為了清除汙染物，研究人員發明了 RINSE 技術（removal of incubated nanotubes through selective exfoliation，通過選擇性去角質的辦法去除培養中的納米管）。他們用一種促進碳納米管粘合的試劑對晶圓片進行預處理。然後，在晶圓表面塗上某種聚合物，並浸入一種特殊的溶劑中。這樣可以將聚合物衝走，而且聚合物只能帶走大的碳束，單個碳納米管仍會粘附在晶片上。與其他類似的方法相比，該技術可使晶片上的顆粒密度降低約 250 倍。
最後，研究人員解決了 CNFET 常見的功能問題。二進位計算需要兩種類型的電晶體：N 型電晶體——用 1 bit 打開，用 0 bit 關閉，而 P 型電晶體則相反。長久以來，用碳納米管制造這兩種類型的電晶體是一項挑戰，因為通常會產生性能各不相同的電晶體。為了解決該問題，研究人員開發出一種叫MIXED（metal interface engineering crossed with electrostatic doping，金屬界面工程與靜電摻雜交叉）的技術，它能精確地調整電晶體的功能和進行優化。
在這項技術中，他們把某些金屬（鉑或鈦）附著在每個電晶體上，這樣就可以將電晶體固定為 P 型或者 N 型。然後，他們通過原子層沉積將 CNFET 覆蓋到一種氧化的化合物上，從而使他們能夠調整電晶體的特性，以滿足針對不同應用程式而產生的特定要求。例如，伺服器通常需要運行速度快、耗電多的電晶體；可穿戴設備和醫療植入物可能需要運行較慢、功率較低的電晶體。
圖 | Max M. Shulaker（來源：MIT 官網）
麻省理工學院的研究團隊表示，他們的主要目標是將該晶片推向現實世界。為實現該目的，研究人員現在已經著手將他們的製造技術應用到一家矽晶片鑄造廠裡。雖然現在還沒有人能斷言，完全由碳納米管制成的晶片在何時會上市。但 Shulaker 說：「這可能在五年內得以實現。因為目前的問題已經不再是假設，而是何時。」