重大突破！美国麻省理工学院研制出新型碳纳米管微处理器

导读

据美国麻省理工学院（MIT）官网近日报道，该校研究人员用碳纳米管晶体管制作出一款新型微处理器。该微处理器被广泛认为是比传统硅处理器更快速、更绿色的替代品。

背景

晶体管，是人类现代历史中最伟大的发明之一。现代电子设备例如电脑、智能手机、智能硬件等，都离不开晶体管。在集成电路技术出现以后，大量的晶体管可被封装在一片指甲盖大小的芯片内。这种晶体管由源极、漏极和位于它们之间的栅极所组成，电流从源极流入漏极，栅极则起到控制电流开关的作用。

各种型号的晶体管（图片来源: 维基百科）

著名的摩尔定律指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”正如摩尔定律所预测的，如今晶体管的尺寸在不断缩小，单颗芯片上集成的晶体管数量在不断增加，可以开展越来越复杂的运算。

摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）

但是近年来，摩尔定律正在面临严峻挑战。传统的晶体管主要都是由硅材料制成的。对于硅晶体管来说，7纳米堪称物理极限。一旦硅晶体管的尺寸低于这个数字，由于“量子隧道效应”，电子将不再受制于欧姆定律，穿越了本来无法穿越的势垒。这样会引起集成电路的漏电现象，让晶体管变得不再可靠。

为了解决上述问题，让摩尔定律继续焕发生机与活力，产业界与科学界的有识之士们开始积极寻找新材料，这些材料的目标就是取代硅，生产出尺寸更小、性能更佳、功耗更低的新一代晶体管。

例如，笔者曾经介绍过美国劳伦斯伯克利国家实验室利用纳米碳管与二硫化钼研制出全球最小的晶体管，其晶体管制程仅为1纳米。

二硫化钼与1纳米碳纳米栅极组成的晶体管示意图 （来源: Sujay Desai/加州大学伯克利分校）

又例如，加拿大麦吉尔大学和蒙特利尔大学的研究表明，黑磷有望成为晶体管的一种非常好的候选材料。此外，其他的二维材料，例如石墨烯、六方氮化硼、二硒化钨等都可以用于打造新型晶体管。

其中，非常值得关注的材料之一就是碳纳米管（CNTs）。从形状上说，它主要是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多卓越的力学、电学和化学性能。

（图片来源：Michael Ströck / Wikimedia Commons）

制造碳纳米管场效应晶体管（CNFET）已成为打造新一代计算机的主要目标之一。研究表明，CNFETs 具有十倍于硅的能量效率，以及更快的运行速度。但是大规模生产时，这些晶体管通常会具有许多影响性能的缺陷，显得不切实际。

创新

近日，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员在花费数年时间应对设计与制造方面的挑战之后，用碳纳米管晶体管制作出一款新型微处理器。该微处理器被广泛认为是比传统硅处理器更快速、更绿色的替代品。

由碳纳米管场效应晶体管制成的新型微处理器的显微图像。（图片来源：Felice Frankel）

8月28日，研究人员在《自然（Nature）》期刊上发表的论文中描述了这一微处理器。它采用传统的硅芯片制造工艺制造，代表了朝着制造更加实用的碳纳米管微处理器迈出了重要一步。

技术

MIT 的研究人员采用传统硅芯片铸造厂的工艺流程，发明了新技术，极大地限制了缺陷，并实现了 CNFETs 制造过程中的全功能控制。他们展示了一款具有14000个 CNFETs 的16位微处理器，它可以执行与商用微处理器相同的任务。《自然》期刊上的相关论文描述了微处理器的设计，包括70多页的详细制造方法。

由碳纳米管场效应晶体管制成的新型微处理器。（图片来源于研究人员）

该微处理器基于 RISC-V 开源芯片架构，该架构具有一组微处理器可以执行的指令。研究人员设计的微处理器可以准确地执行全部指令集，也执行了修改版的经典“Hello, World!（你好，世界！）”程序，打印出：“Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.（你好，世界！我是 RV16XNano，由碳纳米管制成。）”。

电气工程与计算科学（EECS）系助理教授、微系统技术实验室成员、论文合著者 Max M. Shulaker 表示：“迄今为止，这是由新兴纳米技术制造出的最先进的芯片，它有望实现高性能且高能效的计算。硅具有局限性。所以，如果我们想要在计算领域继续取得进展，碳纳米管是最有希望克服这些局限的方法之一。研究论文彻底革新了我们用碳纳米管制造芯片的方式。”

除掉 CNFETs 的‘祸根’

（编辑：核心网）

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