Чип з вуглецевих нанотрубок замість кремнію знаменує собою обчислювальну віху
"Кремнієва долина" незабаром може бути неправильною назвою.
Всередині нового мікропроцесора транзистори — крихітні електронні ключі, які спільно виконують обчислення зроблені з вуглецевими нанотрубками, а не кремнієм. Винаходячи методи для подолання нанорозмірних дефектів, які часто підривають окремі транзистори нанотрубок, дослідники створили перший комп'ютерний чип, який використовує тисячі цих комутаторів для запуску програм.
Прототип, описаний в Nature, ще не так швидка або так мала, як комерційні кремнієві пристрої. Але комп'ютерні чипи з вуглецевих нанотрубок можуть в кінцевому підсумку дати початок новому поколінню більш швидкої і енергоефективної електроніки.
"Це дуже важлива віха в розвитку цієї технології", говорить Цін Цао, вчений-матеріалознавець з Університету штату Іллінойс в Урбана-Шампейн, не бере участі у роботі.
Серцем кожного транзистора є напівпровідниковий компонент, традиційно виготовлений з кремнію, який може діяти або як електричний провідник, або як ізолятор. Транзисторні стану "увімк" і "вимк", в яких струм протікає через напівпровідник чи ні, кодують 1s і 0s комп'ютерних дани. "Ми звикли отримувати експонентний приріст в обчисленнях щороку, — говорить Макс Шулакер, інженер-електрик з Массачусетського технологічного інституту. Але "тепер приріст продуктивності почав вирівнюватися", - говорить він. Кремнієві транзистори не можуть стати набагато менше і ефективніше, ніж вони вже є.
Оскільки вуглецеві нанотрубки майже атомарно тонкі і так добре переносять електрика, вони роблять кращі напівпровідники, ніж кремній. В принципі, процесори з вуглецевих нанотрубок можуть працювати у три рази швидше, споживаючи близько третини енергії своїх кремнієвих попередників, каже Шулакер. Але до цього часу вуглецеві нанотрубки виявилися занадто вибагливими для побудови складних обчислювальних систем.
Одна з проблем полягає в тому, що коли мережа вуглецевих нанотрубок осідає на пластину комп'ютерного чипа, трубки мають тенденцію збиратися разом у грудки, які перешкоджають роботі транзистора. Це "схоже на спробу побудувати цегляний внутрішній дворик з гігантським валуном посередині", - говорить Шулакер. Його команда вирішила цю проблему шляхом поширення нанотрубок на чипі, а потім за допомогою вібрацій обережно струсити небажані пучки з шару нанотрубок.
Новий вид комп'ютерної мікросхеми (масив мікросхем на пластині, зображеної вище) містить тисячі транзисторів, виготовлених з вуглецевих нанотрубок, а не з кремнію. Хоча нинішні прототипи поки не можуть конкурувати з кремнієвими чипами за розміром або швидкості, обчислення на основі вуглецевих нанотрубок обіцяють відкрити нову еру ще більш швидкої і енергоефективної електроніки. G. Hills et al/Nature 2019
Інша проблема, з якою зіткнулася команда, полягає в тому, що кожна партія напівпровідникових вуглецевих нанотрубок містить близько 0,01 відсотка металевих нанотрубок. Оскільки металеві нанотрубки не можуть правильно перемикатися між провідними і ізолюючими, ці трубки можуть заплутати зчитування транзистора.
У пошуках обхідного шляху Шулакер і його колеги проаналізували, наскільки сильно металеві нанотрубки впливають на різні конфігурації транзисторів, які виконують різноманітні види операцій з бітами даних. Дослідники виявили, що дефектні нанотрубки впливають на функцію деяких конфігурацій транзисторів більше, ніж інші — подібно до того, як відсутня літера може зробити деякі слова нерозбірливими, але залишити інші в основному читаються. Тому Шулакер і його колеги ретельно розробили схему свого мікропроцесора, щоб уникнути конфігурацій транзисторів, які були найбільш заплутані металевими збоями нанотрубок.
"Одна з найбільших речей, які справили на мене враження в цій статті, – це розумність цієї схеми", - говорить Майкл Арнольд, вчений-матеріалознавець з Університету Вісконсін-Медісон, не бере участі у роботі.
З більш ніж 14 000 транзисторів вуглецевих нанотрубок, отриманий мікропроцесор виконав просту програму, щоб написати повідомлення "Привіт, світ!" - перша програма, яку багато початківці програмісти вчаться писати.
Новоспечений мікропроцесор з вуглецевих нанотрубок ще не готовий до того, щоб скинути кремнієві чипи як основу сучасної електроніки. Кожен з них становить близько мікрометра в поперечнику, у порівнянні з поточними кремнієвими транзисторами, які мають десятки нанометрів в діаметрі. І кожен вуглецевий нанотрубний транзистор в цьому прототипі може вмикатися і вимикатися близько мільйона разів на секунду, в той час як кремнієві транзистори можуть мерехтіти мільярди разів на секунду. Це ставить ці нанотрубні транзистори нарівні з кремнієвими компонентами, виробленими в 1980-х роках.
Скорочення транзисторів нанотрубок допоможе електрики проходити через них з меншим опором, що дозволить пристроям швидше включатися і вимикатися, каже Арнольд. І вирівнювання нанотрубок паралельно, а не з використанням випадково орієнтованої сітки, також може збільшити електричний струм через транзистори для підвищення швидкості обробки.
