Первый компьютер на основе углеродных нанотрубок, совместимый с КМОП-структурой

ПОРТЛЕНД, штат Орегон - Исследователи из Стэнфордского университета недавно представили первый рабочий компьютер, созданный с применением транзисторов на основе углеродных нанотрубок на кремниевой плате. Используя так называемую imperfection-immune design (конструкцию, лишенную недостатков), исследователи утверждают, что преодолели основные трудности, связанные с полупроводниками на основе углерода, путем интеграции нанотрубок в процесс конструирования комплементарного метал-оксид полупроводника (КМОП-структура).

Компьютеры на основе углеродных нанотрубок на кремниевой плате будут иметь более энергоэффективные процессоры КМОП малого размера.

Десять лет назад трубки из чистого углерода с диаметром, измеряемым в нанометрах (нанотрубки), были признаны идеальным транзисторным материалом. В первую очередь это связано с тем, что транзисторы на основе углеродных нанотрубок имеют большую проводимость и меньшую энергозатратность, чем кремниевые транзисторы. Отдельные транзисторы на основе углеродных нанотрубок были продемонстрированы IBM и другими компаниями, однако полномасштабная разработка не велась по двум причинам: из-за невозможности создания из них идеально ровных массивов и сложности с отделением полупроводниковых нанотрубков от металлических. В результате большинство исследователей сегодня перешли от нанотрубок к исследованию «плоского» углерода (графена), который можно изготовить, используя более традиционные методы КМОП.

Сейчас Стэнфордские исследователи под руководством профессора Субхасиш Митра и Х.С. Филипа Вонга вместе с докторантом Максом Шулакером надеются продолжить работу в области углеродных нанотрубок, преодолевая связанные с ними проблемы с помощью процесса, совместимого с КМОП, называемого ими imperfection-immune design, (конструкцией, лишенной недостатков).

Прежде всего, их подход основан на использовании химического осаждения из паровой фазы (CVD) для выращивания нанотрубок параллельно точными массивами. Ранее это пытались сделать с помощью многих методов, но нанотрубки, как известно, изгибаются во время роста на кремнии, искажая точные массивы, необходимые для создания идеальной конструкции, в свою очередь требуемой для создания транзисторов высокой плотности. Согласно новому методу, разработанному в Стэнфорде, сначала на кварце создаются точные массивы, в которых 99,5 процента нанотрубок располагаются прямыми линиями параллельно, а затем эти массивы переносятся на КМОП-плату.

Даже при том, что 99,5 процентов нанотрубок организованы в параллельные массивы, оставшиеся 0,5 процента могли бы привести к недопустимому количеству дефектов чипов КМОП с миллиардами транзисторов на основе углеродных нанотрубок. Для решения этой проблемы исследователи используют топологию микросхемы, которая вытравливает заранее определенные области для конкретных функций с использованием графическо-теоретического алгоритма, работающего для любого произвольного выравнивания углеродных нанотрубок. Этот масштабируемый подход дает возможность создать стандартные библиотеки схемных элементов, лишенные недостатков, используя ту же инфраструктуру схемы, что и для логического синтеза КМОП.

Благодаря конструкции, лишенной недостатков, была решена вторая проблема: как справиться с металлическими нанотрубками. Технологии производства нанотрубок дают в результате смесь полупроводниковых и металлических нанотрубок. Проблема состоит в том, что при использовании нанотрубок в качестве транзисторных каналов, должны использоваться только полупроводниковые трубки, так как использование металлических трубок приводит к невозможности выключения транзисторов. Для устранения металлических нанотрубок исследователи из Стэнфорда использовали технику электрического пробоя, которая сначала выключает все полупроводниковые нанотрубки, а затем, подобно действию предохранителя, передает через оставшиеся металлические трубки ток, достаточный для их испарения. Таким образом, очищаются схемы всех нанотрубок за исключением оставшихся полупроводниковых.

В результате, команда разработчиков из Стэнфордского университета смогла создать рабочий центральный процессор (CPU), используя 178 транзисторов на основе углеродных нанотрубок, выполняющих 20 команд компьютера с сокращенным набором команд (RISC). Последние были разработаны профессором Стэнфордского университета Джоном Хеннесси, в дальнейшем ставшим соучредителем компании MIPS Technologies Inc., Саннивейл, Калифорния, и являющимся президентом Стэнфордского университета в наши дни. Исследователи утверждают, что их технология конструкции, лишенной недостатков, является расширяемой, совместимой с КМОП и содержит всего 178 транзисторов только по причине ограниченных возможностей их прототипирования в Стэнфордском университете.

Источник: http://www.eetimes.com