Los ingenieros del MIT construyen microprocesadores avanzados a partir de nanotubos de carbono.
El nuevo enfoque utiliza los mismos procesos de fabricación que los chips de silicio y proporciona avances significativos en el desarrollo de computadoras de próxima generación.
Después de años de abordar muchos desafíos de desarrollo y fabricación, los investigadores del MIT han desarrollado un microprocesador de transistor de nanotubos de carbono de última generación que es ampliamente considerado como una alternativa más rápida y ecológica a sus contrapartes de silicio tradicionales.
El microprocesador, descrito hoy en la revista Nature, puede fabricarse utilizando técnicas convencionales de fabricación de chips de silicio y representa un paso importante hacia una aplicación más práctica de los microprocesadores de nanotubos de carbono.
Los transistores de silicio, componentes críticos del microprocesador que cambian entre 1 y 0 bits para realizar cálculos, se han establecido en la industria informática durante décadas. Como predice la ley de Moore, cada pocos años la industria ha podido reducir el tamaño de los transistores y colocar más chips para realizar cálculos cada vez más complejos. Sin embargo, los expertos predicen un momento en el que los transistores de silicio ya no se encogerán y serán cada vez más ineficaces.
La fabricación de transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNFET) se ha convertido en un objetivo importante en la construcción de computadoras de próxima generación. La investigación muestra que los CNFET tienen propiedades que prometen una eficiencia energética 10 veces mayor y velocidades mucho más altas en comparación con el silicio. Pero si los transistores se fabrican a pequeña escala, a menudo tienen muchas deficiencias que afectan el rendimiento, por lo que no son prácticos.
Un primer plano de un microprocesador moderno compuesto por transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono. Agradecimientos - Imagen: Felice Frankel, MIT
Los investigadores del MIT han desarrollado nuevas técnicas para reducir drásticamente los defectos y permitir un control completo sobre la función de fabricación de CNFET utilizando procesos en fundiciones de chips de silicio tradicionales. Demostraron un microprocesador 16-bit con más de 14.000 CNFET, que realiza las mismas tareas que los microprocesadores comerciales. Nature Paper describe el diseño del microprocesador e incluye más de 70 páginas que describen el método de fabricación.
El microprocesador se basa en la arquitectura de chip de código abierto RISC-V, que contiene una serie de instrucciones que puede ejecutar un microprocesador. El microprocesador de los investigadores pudo ejecutar con precisión todo el conjunto de instrucciones. Una versión modificada del programa clásico "¡Hola, mundo!" Que se imprimió, "¡Hola, mundo!" Soy RV16XNano, hecho de CNT ".
"Este es, con mucho, el chip más avanzado de una nanotecnología incipiente que es muy prometedora para la informática de alto rendimiento y eficiencia energética", dice el coautor Max M. Shulaker, profesor asistente de desarrollo de carrera de Emanuel E Landsman de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) y Miembro de Microsystems Technology Laboratories. “Hay límites para el silicio. Si queremos seguir avanzando en la informática, los nanotubos de carbono son una de las formas más prometedoras de superar estos límites.
Junto con Shulaker, las siguientes personas trabajan en el proyecto: primer autor y postdoctorado Gage Hills, estudiantes graduados Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho y Aya Amer, todos de EECS; Arvind, Profesor Johnson de Ciencias de la Computación e Ingeniería e Investigador en el Laboratorio de Informática e Inteligencia Artificial; Anantha Chandrakasan, decana de la escuela de ingeniería y profesora de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de Vannevar Bush; y Samuel Fuller, Yosi Stein y Denis Murphy, todos dispositivos analógicos.
Los ingenieros del MIT han construido un microprocesador moderno a partir de transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (en la imagen), que se consideran más rápidos y ecológicos que los transistores de silicio. El nuevo enfoque utiliza los mismos procesos de fabricación que para los chips de silicio. Agradecimientos - Imagen: Felice Frankel, MIT
Combatiendo la "maldición" de los CNFET
El microprocesador se basa en una simulación anterior desarrollada por Shulaker y otros investigadores hace seis años que solo tenía CNFET 178 y se ejecutó en un solo bit de datos. Desde entonces, Shulaker y sus colegas del MIT han abordado tres problemas específicos en la fabricación de dispositivos: defectos de material, defectos de fabricación y problemas funcionales. Hills asumió la mayor parte del diseño del microprocesador, mientras que Lau asumió la mayor parte de la fabricación.
Durante años, la falla inherente a los nanotubos de carbono ha sido una "maldición del campo", dice Shulaker. Idealmente, los CNFET necesitan propiedades semiconductoras para activar y desactivar su conductividad de acuerdo con los bits 1 y 0, pero inevitablemente una pequeña parte de los nanotubos de carbono será metálica y ralentizará o detendrá el transistor. Para ser resistentes a estos fallos, los circuitos modernos requieren nanotubos de carbono con una pureza de aproximadamente el 99,999999 por ciento, lo que es prácticamente imposible de fabricar en la actualidad.
Los investigadores desarrollaron una técnica llamada DREAM (acrónimo de “Resistencia del diseño frente a los CNT metálicos”) que coloca los CNFET metálicos de tal manera que no interfieren con el procesamiento de datos. Al hacerlo, relajaron estos estrictos requisitos de pureza en aproximadamente cuatro órdenes de magnitud, o 10.000 veces, lo que significa que solo necesitan nanotubos de carbono con una pureza de aproximadamente el 99,99 por ciento, que es posible actualmente.
El diseño de circuitos básicamente requiere una variedad de diferentes puertas lógicas conectadas a transistores que se pueden combinar para crear sumadores y multiplicadores, por ejemplo, como combinar letras en el alfabeto para crear palabras. Los investigadores encontraron que los nanotubos de carbono metálico afectan a los diferentes emparejamientos de estas puertas de manera diferente. Por ejemplo, un solo nanotubo de carbono metálico en la puerta A puede romper la conexión entre A y B. Sin embargo, múltiples nanotubos de carbono metálico en la Puerta B no pueden interferir con ninguna de sus conexiones.
En el diseño de chips, hay muchas formas de implementar código en un circuito. Los investigadores realizaron simulaciones para encontrar todas las diferentes combinaciones de puertas que son resistentes y resistentes a los nanotubos de carbono metálicos. Luego adaptaron un programa de diseño de chips para determinar automáticamente las combinaciones menos afectadas por los nanotubos de carbono metálicos. Al diseñar un nuevo chip, el programa usa solo las combinaciones robustas e ignora las combinaciones vulnerables.
"El juego de palabras 'soñar' es totalmente intencional porque es la solución del sueño", dice Shulaker. "Esto nos permite comprar nanotubos de carbono listos para usar, lanzarlos a una oblea y simplemente configurar nuestro circuito como de costumbre sin hacer nada más".
Exfoliación y afinación.
La producción de CNFET comienza con la aplicación de nanotubos de carbono en una solución sobre una oblea con arquitecturas de transistores prefabricados. Sin embargo, algunos nanotubos de carbono inevitablemente se unen al azar para formar grandes pilas, como hebras de espagueti que se forman en pequeñas bolas, que crean una gran contaminación de partículas en el chip.
Para erradicar esta contaminación, los investigadores crearon RINSE (para "Eliminación de nanotubos incubados mediante exfoliación selectiva"). La oblea se pretrata con una preparación que promueve la adhesión de nanotubos de carbono. Luego, la oblea se recubre con un polímero específico y se sumerge en un disolvente especial. Esto lava el polímero, que solo arrastra los grandes haces, mientras que los nanotubos de carbono individuales se adhieren a la oblea. La técnica conduce a una reducción de aproximadamente 250 veces en la densidad de partículas en el chip en comparación con métodos similares.
Finalmente, los investigadores observaron problemas funcionales comunes con los CNFET. Se requieren dos tipos de transistores para la computación binaria: los tipos “N”, que se encienden con un bit 1 y se apagan con un bit 0, y los tipos “P”, que tienen el efecto contrario. Tradicionalmente, era difícil fabricar los dos tipos a partir de nanotubos de carbono, lo que a menudo resultaba en transistores con diferentes niveles de rendimiento. Para esta solución, los investigadores desarrollaron una técnica llamada MIXED (para “Ingeniería de interfaz metálica cruzada con dopaje electrostático”), que ajusta con precisión los transistores para su función y optimización.
En esta técnica, unen ciertos metales a cada transistor, platino o titanio, lo que les permite fijar ese transistor como P o N. Luego, recubren los CNFET en un compuesto de óxido mediante deposición de capa atómica, lo que les permite ajustar las propiedades de los transistores para aplicaciones específicas. Por ejemplo, los servidores a menudo necesitan transistores que funcionen muy rápido, pero que al mismo tiempo lleven energía y rendimiento. Los dispositivos portátiles y los implantes médicos, por otro lado, pueden usar transistores más lentos y de baja potencia.
El objetivo principal es llevar las fichas al mundo real. Con este fin, los investigadores han comenzado a implementar sus técnicas de fabricación en una fundición de chips de silicio, a través de un programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, que apoya la investigación. Si bien nadie puede decir cuándo llegarán a los estantes los chips hechos completamente de nanotubos de carbono, Shulaker dice que podrían ser menos de cinco años. “Creemos que ya no se trata de si, sino de cuándo”, dice.
El trabajo también fue apoyado por Analog Devices, la National Science Foundation y el Air Force Research Laboratory.
Artículo: MIT / ISE, imagen: Felice Frankel, MIT
