性能远超越硅材料？首款碳纳米管RISC-V处理器面世

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北京2019年8月28日消息，英国《自然》杂志近日发表了一项计算科学最新进展：

美国麻省理工学院团队利用14000多个碳纳米管晶体管，制造出16位微处理器，并生成一条信息。

其设计和制造方法克服了之前与碳纳米管相关的挑战，将为先进微电子装置中的硅带来一种高效能替代品。

我们都知道，集成电路是现代信息技术的基石，随着摩尔定律逐渐逼近极限，芯片想要做得更小，硅材料在散热、功耗等方面就会呈现出短板。

早在2006年，国际半导体技术路线图委员会就认为，摩尔定律将在2020年达到极限。

故此，他们认为碳基纳电子学（包括碳纳米管和石墨烯）作为可能在未来五至十年内显现出商业价值的下一代技术。

而碳纳米管是一种潜在的可用于制造高效能器件的替代材料，又名巴基管，重量很轻，结构特殊——主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。

目前碳纳米管已经表现出优异的力学和电学性能。

根据测算，在步入10纳米技术节点后，碳纳米管的芯片性能和功耗都比硅芯片有了明显改善。

例如，从硅基7纳米技术到5纳米技术，芯片速度大约提升20%，而碳纳米管基7纳米技术的芯片速度将提升300%。

但碳纳米管自身的缺陷和可变性，限制了这些微型碳原子圆柱体在大规模系统中的应用。

单壁碳纳米管按其卷曲方向有(n,m)两个参数，当（n-m）可以被3整除时，单壁碳纳米管是金属性的；

反之则为半导体性的。

金属性单壁碳纳米管的导电性与金属相同，电流随电压增大而线性增加；

半导体性的则程非线性，且对门电压有明显响应。

也就是说，不可避免地，一小部分碳纳米管将会呈现金属特性，并且将减慢或阻止晶体管切换。

对于这些故障，先进的电路将需要纯度在99.999999%左右的碳纳米管，这在今天几乎是不可能生产的。

对此，麻省理工学院科学家马克斯·舒拉克及同事提出了一种名为DREAM (an acronym for “designing resiliency against metallic CNTs”)的技术，该技术以一种不会干扰计算的方式定位金属碳纳米管。

在此过程中，他们将严格的纯度要求降低了约4个数量级，即10000倍，这意味着他们只需要纯度达到99.99%左右的碳纳米管，目前这是可以实现的。

设计电路基本上需要一个由连接到晶体管上的不同逻辑门组成的库，这些逻辑门可以组合在一起，例如，创建加法器和乘法器——就像组合字母表中的字母来创建单词一样。

研究人员发现，金属碳纳米管对这些门的不同配对有不同的影响。

例如，A门中的一个金属碳纳米管可能会破坏A和B之间的连接，但是B门中的几个金属碳纳米管可能不会影响A和B之间的任何连接。

在芯片设计中，有许多方法可以将代码实现到电路中。

研究人员进行了模拟，发现所有不同的栅极组合对任何金属碳纳米管都是稳健的，而对任何金属碳纳米管都不具有鲁棒性。

然后，他们定制了一个芯片设计程序，自动学习最不受金属碳纳米管影响的组合。

在设计新芯片时，程序只利用稳健的组合，而忽略脆弱的组合。

该微处理器基于RISC-V开源芯片架构。

研究团队将该微处理器命名为“RV16X-NANO”，并在测试中成功执行了一个程序，生成信息： “Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.”

研究人员总结称，鉴于这个微处理器的设计和制造采用了行业标准，因此这项研究为超越硅的电子学指明了一个富有前景的发展方向。

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