Después de años de abordar numerosos desafíos de diseño y fabricación, Los investigadores del MIT han construido un microprocesador moderno a partir de transistores de nanotubos de carbono, que se consideran un método más rápido, alternativa más ecológica a sus homólogos de silicio tradicionales.

El microprocesador, descrito hoy en la revista Naturaleza , se puede construir utilizando procesos tradicionales de fabricación de chips de silicio, lo que representa un gran paso para hacer que los microprocesadores de nanotubos de carbono sean más prácticos.

Los transistores de silicio, componentes críticos del microprocesador que cambian entre 1 y 0 bits para realizar cálculos, han dominado la industria de las computadoras durante décadas. Como predice la ley de Moore, La industria ha podido reducir y colocar más transistores en chips cada dos años para ayudar a realizar cálculos cada vez más complejos. Pero los expertos ahora prevén un momento en el que los transistores de silicio dejarán de encogerse, y se vuelven cada vez más ineficientes.

La fabricación de transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNFET) se ha convertido en un objetivo importante para la construcción de computadoras de próxima generación. Las investigaciones indican que los CNFET tienen propiedades que prometen alrededor de 10 veces la eficiencia energética y velocidades mucho mayores en comparación con el silicio. Pero cuando se fabrica a escala, los transistores a menudo vienen con muchos defectos que afectan el rendimiento, por lo que siguen siendo imprácticos.

Los investigadores del MIT han inventado nuevas técnicas para limitar drásticamente los defectos y permitir un control funcional total en la fabricación de CNFET. utilizando procesos en las tradicionales fundiciones de chips de silicio. Demostraron un microprocesador de 16 bits con más de 14, 000 CNFET que realizan las mismas tareas que los microprocesadores comerciales. El artículo de Nature describe el diseño del microprocesador e incluye más de 70 páginas que detallan la metodología de fabricación.

El microprocesador se basa en la arquitectura de chip de código abierto RISC-V que tiene un conjunto de instrucciones que puede ejecutar un microprocesador. El microprocesador de los investigadores pudo ejecutar el conjunto completo de instrucciones con precisión. También ejecutó una versión modificada del clásico "Hola, ¡Mundo! ", imprimiendolo, "Hola, ¡Mundo! Soy RV16XNano, elaborados a partir de CNT ".

"Este es, con mucho, el chip más avanzado fabricado con cualquier nanotecnología emergente que sea prometedora para la informática de alto rendimiento y eficiencia energética, "dice el coautor Max M. Shulaker, Profesor Asistente de Desarrollo de Carrera Emanuel E Landsman de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y miembro de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas. "Hay límites para el silicio. Si queremos seguir obteniendo avances en informática, Los nanotubos de carbono representan una de las formas más prometedoras de superar esos límites. [El documento] reinventa completamente la forma en que construimos chips con nanotubos de carbono ".

Junto a Shulaker en el artículo están:primer autor y postdoctorado Gage Hills, estudiantes graduados Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho, y Aya Amer, todo EECS; Arvind, el profesor Johnson de Informática e Ingeniería e investigador del Laboratorio de Informática e Inteligencia Artificial; Anantha Chandrakasan, el decano de la Facultad de Ingeniería y el catedrático Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica e Informática; y Samuel Fuller, Yosi Stein, y Denis Murphy, todos los dispositivos analógicos.

Luchando contra la "perdición" de los CNFET

El microprocesador se basa en una iteración anterior diseñada por Shulaker y otros investigadores hace seis años que tenía solo 178 CNFET y se ejecutaba en un solo bit de datos. Desde entonces, Shulaker y sus colegas del MIT han abordado tres desafíos específicos en la producción de los dispositivos:defectos de material, defectos de fabricación, y problemas funcionales. Hills hizo la mayor parte del diseño del microprocesador, mientras que Lau se encargaba de la mayor parte de la fabricación.

Durante años, los defectos intrínsecos a los nanotubos de carbono han sido una "pesadilla del campo, "Dice Shulaker. Idealmente, Los CNFET necesitan propiedades semiconductoras para activar y desactivar su conductividad, correspondiente a los bits 1 y 0. Pero inevitablemente, una pequeña porción de nanotubos de carbono será metálica, y ralentizará o detendrá la conmutación del transistor. Para ser robusto a esos fracasos, Los circuitos avanzados necesitarán nanotubos de carbono con una pureza de alrededor del 99,999999 por ciento, que es prácticamente imposible de producir en la actualidad.

Los investigadores idearon una técnica llamada DREAM (un acrónimo de "diseñar resiliencia contra los CNT metálicos"), que posiciona los CNFET metálicos de manera que no interrumpan la computación. Al hacerlo, relajaron ese estricto requisito de pureza en alrededor de cuatro órdenes de magnitud, o 10, 000 veces, lo que significa que solo necesitan nanotubos de carbono con una pureza de aproximadamente el 99,99 por ciento, que es posible actualmente.

El diseño de circuitos básicamente requiere una biblioteca de diferentes puertas lógicas conectadas a transistores que se pueden combinar con, decir, cree sumadores y multiplicadores, como combinar letras en el alfabeto para crear palabras. Los investigadores se dieron cuenta de que los nanotubos de carbono metálico impactaban diferentes pares de estas puertas de manera diferente. Un solo nanotubo de carbono metálico en la puerta A, por ejemplo, puede romper la conexión entre A y B. Pero varios nanotubos de carbono metálicos en las puertas B pueden no afectar ninguna de sus conexiones.

En diseño de chips, Hay muchas formas de implementar código en un circuito. Los investigadores realizaron simulaciones para encontrar todas las diferentes combinaciones de puertas que serían robustas y no serían robustas para ningún nanotubo de carbono metálico. Luego, personalizaron un programa de diseño de chips para aprender automáticamente las combinaciones que tienen menos probabilidades de verse afectadas por los nanotubos de carbono metálico. Al diseñar un nuevo chip, el programa solo utilizará las combinaciones robustas e ignorará las combinaciones vulnerables.

"El juego de palabras" DREAM "tiene mucha intención, porque es la solución soñada, ", Dice Shulaker." Esto nos permite comprar nanotubos de carbono listos para usar, déjelos caer en una oblea, y simplemente construya nuestro circuito como de costumbre, sin hacer nada más especial ".

Exfoliante y afinado

La fabricación de CNFET comienza con el depósito de nanotubos de carbono en una solución sobre una oblea con arquitecturas de transistores prediseñadas. Sin embargo, algunos nanotubos de carbono se pegan inevitablemente al azar para formar grandes haces —como tiras de espagueti formadas en bolitas— que forman grandes partículas de contaminación en el chip.

Para limpiar esa contaminación, los investigadores crearon RINSE (para "eliminar los nanotubos incubados mediante exfoliación selectiva"). La oblea se trata previamente con un agente que promueve la adhesión de nanotubos de carbono. Luego, la oblea se recubre con cierto polímero y se sumerge en un disolvente especial. Que lava el polímero, que solo se lleva los grandes bultos, mientras que los nanotubos de carbono individuales permanecen adheridos a la oblea. La técnica conduce a una reducción de aproximadamente 250 veces en la densidad de partículas en el chip en comparación con métodos similares.

Finalmente, los investigadores abordaron problemas funcionales comunes con los CNFET. La computación binaria requiere dos tipos de transistores:tipos "N", que se encienden con un bit 1 y se apagan con un bit 0, y tipos "P", que hacen lo contrario. Tradicionalmente, Ha sido un desafío hacer los dos tipos de nanotubos de carbono, a menudo produciendo transistores que varían en rendimiento. Para esta solución, los investigadores desarrollaron una técnica llamada MIXED (para "ingeniería de interfaz metálica cruzada con dopaje electrostático"), que sintoniza con precisión los transistores para su función y optimización.

En esta técnica, adjuntan ciertos metales a cada transistor, platino o titanio, lo que les permite fijar ese transistor como P o N. Luego, recubren los CNFET en un compuesto de óxido a través de la deposición de la capa atómica, lo que les permite ajustar las características de los transistores para aplicaciones específicas. Servidores por ejemplo, a menudo requieren transistores que actúan muy rápido pero consumen energía y potencia. Wearables e implantes médicos, por otra parte, puede usar más lento, transistores de baja potencia.

El objetivo principal es llevar las fichas al mundo real. Con ese fin, los investigadores ahora han comenzado a implementar sus técnicas de fabricación en una fundición de chips de silicio a través de un programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, que apoyó la investigación. Aunque nadie puede decir cuándo llegarán a los estantes los chips hechos completamente de nanotubos de carbono, Shulaker dice que podrían ser menos de cinco años. "Creemos que ya no se trata de si, pero cuando, " él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.