Antecedentes
El transistor es uno de los mayores inventos de la historia humana moderna. Los dispositivos electrónicos modernos, como computadoras, teléfonos inteligentes y hardware inteligente, son inseparables de los transistores. Con la llegada de la tecnología de circuitos integrados, se puede empaquetar una gran cantidad de transistores en un chip del tamaño de una uña. Este transistor consta de una fuente, un drenaje y una puerta entre ellos. La corriente fluye desde la fuente al drenaje y la compuerta controla el interruptor de corriente.
La famosa Ley de Moore establece: "Si el precio permanece sin cambios, el número de transistores que se pueden acomodar en un circuito integrado se duplicará cada 18 meses, y el rendimiento también se duplicará". Law, el tamaño de los transistores se está reduciendo y el número de transistores integrados en un solo chip está aumentando, lo que permite operaciones cada vez más complejas.
Pero en los últimos años, la Ley de Moore se ha enfrentado a serios desafíos. Los transistores tradicionales están hechos principalmente de material de silicio. Para los transistores de silicio, 7 nanómetros es el límite físico. Una vez que los transistores de silicio descienden por debajo de este número, los electrones ya no están sujetos a la ley de Ohm debido al "túnel cuántico", cruzando barreras que de otro modo serían impenetrables. Esto puede causar fugas en el circuito integrado, haciendo que el transistor no sea confiable.
Para resolver los problemas anteriores y mantener la vitalidad de la Ley de Moore, personas con conocimientos de los círculos industriales y científicos comenzaron a buscar activamente nuevos materiales. El objetivo de estos materiales es sustituir el silicio y producir una nueva generación de transistores que sean más pequeños, tengan mejor rendimiento y consuman menos energía.
Por ejemplo, el autor presentó una vez que el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley utilizó nanotubos de carbono y disulfuro de molibdeno para desarrollar el transistor más pequeño del mundo, y su proceso de fabricación de transistores es de solo 1 nm.
Otro ejemplo, una investigación de la Universidad McGill en Canadá y la Universidad de Montreal muestra que se espera que el fósforo negro se convierta en un muy buen material candidato para los transistores. Además, otros materiales bidimensionales como el grafeno, el nitruro de boro hexagonal, el seleniuro de tungsteno, etc. , que se puede utilizar para fabricar nuevos transistores.
La fabricación de transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNFET) se ha convertido en uno de los principales objetivos en la construcción de una nueva generación de ordenadores. Las investigaciones muestran que los CNFET son diez veces más eficientes energéticamente que el silicio y pueden funcionar más rápido. Pero en la producción en masa, estos transistores suelen tener muchos defectos que afectan el rendimiento, lo cual no es realista.
El microprocesador se basa en la arquitectura de chip de código abierto RISC-V, que cuenta con un conjunto de instrucciones que el microprocesador puede ejecutar. Los investigadores diseñaron un microprocesador que puede ejecutar con precisión todos los conjuntos de instrucciones y también puede ejecutar el programa clásico "¡Hola, mundo! ¡Hola, mundo!)" e imprimir: "¡Hola, mundo! Soy RV 16 x nano, carbono hecho de nanotubos". (¡Hola mundo! Soy RV16XNano, hecho de nanotubos de carbono)".
“Hasta ahora, se trata de un chip emergente de última generación fabricado con nanotecnología que promete una informática de alto rendimiento y eficiencia energética. El silicio tiene limitaciones, por lo que si queremos seguir fabricándolos. progreso en la informática, los nanotubos de carbono son una de las formas más prometedoras de superarlos. Este trabajo de investigación revoluciona la forma en que fabricamos chips con nanotubos de carbono."
Este microprocesador se basa en una versión iterativa diseñada por Shulaker. y otros investigadores hace seis años. La versión en ese momento tenía solo 178 CNFET y solo podía operar con datos de un solo bit. Desde entonces, Schulacker y sus colegas del MIT han abordado tres desafíos únicos en la fabricación de microprocesadores de nanotubos de carbono: defectos de material, defectos de fabricación y problemas funcionales. Gage Hills es responsable de la mayor parte del trabajo de diseño del procesador, mientras que Christian Lau es responsable de la mayor parte del trabajo de fabricación.
Los defectos inherentes a los nanotubos de carbono han sido la "perdición" de este campo durante muchos años, afirmó Schulacker. Idealmente, los CNFET requieren propiedades semiconductoras que activen o desactiven su conductividad, en función de si el bit es 1 o 0, respectivamente.
Pero inevitablemente, pequeñas cantidades de nanotubos de carbono serán metálicas, lo que ralentizará o impedirá que los transistores conmuten. Para evitar estos fallos, los circuitos avanzados necesitarán nanotubos de carbono con una pureza de 99,999999, que es casi imposible de producir hoy en día.
Los investigadores propusieron una tecnología llamada Dream (abreviatura de Designing Resilience Against Metallic Carbon Nanotubes). Esta técnica coloca los CNFET metálicos en lugares donde no interfieran con los cálculos. Al hacerlo, relajaron los estrictos requisitos de pureza en cuatro órdenes de magnitud, es decir, 1.000 veces, lo que significa que sólo necesitan nanotubos de carbono con una pureza de 99,99, que actualmente pueden preparar.
Básicamente, diseñar un circuito requiere una biblioteca de diferentes puertas lógicas conectadas a transistores, que se pueden combinar para crear sumadores y multiplicadores, de forma muy parecida a cómo se unen letras para formar palabras. Los investigadores descubrieron que los nanotubos de carbono metálicos tenían diferentes efectos en diferentes combinaciones de estas puertas lógicas. Por ejemplo, un solo nanotubo de carbono metálico en la puerta lógica A puede romper la conexión entre la puerta lógica A y la puerta lógica B. Pero varios nanotubos de carbono metálicos en la puerta lógica B no afectarán su conexión.
En el diseño de chips, hay muchas formas de implementar código en un circuito. Los investigadores simularon buscar todas las diferentes combinaciones de puertas lógicas que podrían ser "robustas" o "no robustas" para cualquier nanotubo de carbono metálico. Luego personalizaron un programa de diseño de chips que buscaba automáticamente combinaciones con menos probabilidades de verse afectadas por los nanotubos de carbono metálicos. Al diseñar un nuevo chip, el programa utiliza sólo combinaciones "robustas" e ignora las defectuosas.
El juego de palabras 'sueño' tiene mucho sentido porque es la solución con la que todos han estado soñando", dijo Schulacker. "Este enfoque nos permite comprar nanotubos de carbono disponibles en el mercado, ponerlos en una oblea , Construimos nuestro circuito como de costumbre, sin hacer nada especial." La fabricación de CNFET comienza depositando nanotubos de carbono en una oblea con una estructura de transistor prediseñadas. Pero algunos nanotubos de carbono inevitablemente se unen al azar para formar grandes haces, como espaguetis ensartados en pequeñas bolas, creando grandes partículas de contaminación en el chip.
Para eliminar este contaminante, los investigadores desarrollaron una tecnología de lavado (eliminación de nanotubos incubados mediante exclusión selectiva). Las obleas se tratarán previamente con reactivos que promueven la adhesión de los nanotubos de carbono. Luego, la oblea se recubre con una capa de polímero y se sumerge en un disolvente especial. Luego, los polímeros pueden eliminarse mediante lavado, transportando sólo grandes haces de nanotubos de carbono, mientras que los nanotubos de carbono individuales permanecen adheridos a la oblea. Esta tecnología puede reducir la densidad de partículas en el chip aproximadamente 250 veces en comparación con otros métodos similares.
Finalmente, los investigadores resolvieron problemas funcionales comunes con los CNFET. La computación binaria requiere dos tipos de transistores: los transistores "N", donde encendido representa un bit de 1 y apagado representa un bit de 0; los transistores "P" hacen lo contrario. Tradicionalmente, fabricar estos dos tipos de transistores a partir de nanotubos de carbono ha sido una tarea desafiante porque a menudo se producen transistores con diferentes propiedades. Para resolver este problema, los investigadores desarrollaron una tecnología llamada mixta (un cruce entre ingeniería de interfaz metálica y dopaje electrostático) que puede ajustar con precisión la funcionalidad y optimizar los transistores.
En esta tecnología, unen algo de metal (platino o titanio) a cada transistor para que quede fijo como P o n. Luego, lo depositan sobre un compuesto de óxido mediante deposición de capas atómicas. , adaptando así las características del transistor para satisfacer las necesidades de una aplicación específica. Los servidores, por ejemplo, suelen requerir transistores que funcionen rápido pero consuman mucha energía. Los dispositivos portátiles y los implantes médicos, por otro lado, pueden requerir transistores más lentos y de menor potencia.
Futuro
Su principal objetivo es llevar el chip al mundo real. Para lograr este objetivo, los investigadores han comenzado a aplicar su tecnología de fabricación a una fundición de obleas de silicio a través de un proyecto de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU., que apoyó la investigación. Aunque nadie está seguro de cuándo estarán disponibles los chips fabricados íntegramente con nanotubos de carbono. Pero Schulacker dijo: “Esto podría suceder dentro de cinco años.
Creemos que ya no es una cuestión de si, sino sólo de cuándo.
Palabras clave
Datos de referencia
1Gage Hills et al. Microprocesadores modernos construidos a partir de transistores de nanotubos de carbono complementarios, Nature (2019). DOI: 10.1038/s 41586-019-1493-8
2 http://news MIT .