Учёные Массачусетского технологического института считают, что современная компьютерная индустрия находится на грани возможностей кремниевых транзисторов. Маловероятно, что специалистам удастся сделать их ещё более миниатюрными и эффективными, чтобы удовлетворять растущие требования к производительности процессоров. В качестве альтернативы традиционному кремнию они представили первый в мире чип RV16X-NANO с транзисторами на основе углеродных нанотрубок.
Плотность упаковки транзисторов в современных процессорах продолжает бить всё новые рекорды. Сегодня крупные производители массово изготавливают чипы по 7-нм техпроцессу. На конференции Hotchips один из мировых лидеров по производству полупроводниковых изделий TSMC пообещал добиться ещё более впечатляющих показателей – в ближайшие годы запустить производство чипов по 3-нм и даже 1,4-нм техпроцессам. Они планируют осуществить задуманное за счёт новых технологий компоновки, однако даже с ними у возможностей любого материала существует предел. Год за годом инженеры разрабатывали способы уменьшения техпроцесса, получая экспоненциальный рост характеристик, однако в последние годы этот процесс заметно замедлился.
При поддержке компании Analog Devices специалисты из Массачусетского технологического института взялись за изучение методов применения углерода в качестве элемента аппаратного обеспечения компьютера. Размер углеродных трубок не превышает 1,2 нм, а сам материал обладает отличной проводимостью, потому полупроводники из углерода гораздо эффективнее кремниевых. Кроме того, процессоры с транзисторами на углеродных нанотрубках могут работать до трёх раз быстрее, чем чипы из традиционного кремния, и при этом потреблять значительно меньше энергии.
Главная проблема использования углеродных нанотрубок в изготовлении процессоров заключается в том, что с ними очень сложно работать. Прежде всего выращивать трубки необходимо на специальной подложке с катализатором, и только потом их можно перемещать. При попытке разместить сеть транзисторов на печатной плате чипа они могут собираться в углеродные комки. Кроме того, даже если при переносе углеродных нанотрубок они не слиплись воедино, для работы чипа их необходимо ориентировать. Один из участников исследования Макс Шулакер рассказал, что его команде удалось решить все эти проблемы достаточно простым способом. Разместив трубки на подложке, они использовали вибрацию, чтобы аккуратно растрясти образовавшиеся комки и распределить их по поверхности печатной платы.
Далее на пути учёных возникла ещё одна проблема: углеродные нанотрубки содержат крошечный процент металла – около 0,01%, который попадает в них в процессе их построения, так как металлы являются катализаторами роста. Металл в составе углеродных нанотрубок искажает их проводимость: в кристаллических решётках металлов она обусловлена наличием свободных электронов, которые возможно контролировать только изменением температуры. Таким образом, система углеродных транзисторов с вкраплениями металлов не сможет совершать правильные вычисления.
В поиске решения для этой проблемы учёные обратили внимание на то, что присутствие металлических элементов в составе углеродных нанотрубок по-разному влияет на работу различных конфигураций транзисторов. По аналогии с тем, как одни ошибки делают слова совершенно неузнаваемыми, а с другими слово остаётся вполне читаемым, наличие металла иногда совершенно не мешало работе системы. Чтобы обойти потенциальные ошибки, Шулакер и его коллеги разработали схему таким образом, чтобы полностью избавиться от проблемных конфигураций транзисторов.
Результатом трудов команды учёных стал 16-битный микропроцессор RV16X-NANO, который состоит из 14 тысяч транзисторов, сделанных из углеродных нанотрубок. Новенький RV16X-NANO ещё не готов свергнуть кремниевые чипы с пьедестала основы современной электроники. Специалистам предстоит ещё много работы по совершенствованию характеристик новой технологии, а пока она работает на уровне кремниевых чипов 1980-х годов. Транзисторы из углерода переключаются около миллиона раз в секунду, в то время как их кремниевые конкуренты делают это миллиарды и даже сотни миллиардов раз в секунду. Пока что этого достаточно лишь для решения элементарных заданий, например, для выполнения программы «Hello, world!».
Специалисты из Массачусетского технологического института уверены, что углерод – весьма перспективный материал для изготовления транзисторов. Чтобы добиться более высоких показателей эффективности, учёным необходимо работать над уменьшением размера нанотрубок. Минимизация сопротивления позволит значительно повысить проводимость материала и добиться прироста скорости переключения транзисторов. Кроме того, будет не лишним решить проблему хаотического разброса нанотрубок: упорядочивание их структуры также положительно отразится на работе транзисторов.
