'性能遠超越硅材料？首款碳納米管RISC-V處理器面世'

北京8月28日消息，英國《自然》雜誌近日發表了一項計算科學最新進展：美國麻省理工學院團隊利用14000多個碳納米管晶體管，製造出16位微處理器，並生成一條信息。其設計和製造方法克服了之前與碳納米管相關的挑戰，將為先進微電子裝置中的硅帶來一種高效能替代品。

我們都知道，集成電路是現代信息技術的基石，隨著摩爾定律逐漸逼近極限，芯片想要做得更小，硅材料在散熱、功耗等方面就會呈現出短板。早在2006年，國際半導體技術路線圖委員會就認為，摩爾定律將在2020年達到極限。故此，他們認為碳基納電子學（包括碳納米管和石墨烯）作為可能在未來五至十年內顯現出商業價值的下一代技術。

而碳納米管是一種潛在的可用於製造高效能器件的替代材料，又名巴基管，重量很輕，結構特殊——主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。目前碳納米管已經表現出優異的力學和電學性能。根據測算，在步入10納米技術節點後，碳納米管的芯片性能和功耗都比硅芯片有了明顯改善。例如，從硅基7納米技術到5納米技術，芯片速度大約提升20%，而碳納米管基7納米技術的芯片速度將提升300%。

但碳納米管自身的缺陷和可變性，限制了這些微型碳原子圓柱體在大規模系統中的應用。單壁碳納米管按其捲曲方向有(n,m)兩個參數，當（n-m）可以被3整除時，單壁碳納米管是金屬性的；反之則為半導體性的。金屬性單壁碳納米管的導電性與金屬相同，電流隨電壓增大而線性增加；半導體性的則程非線性，且對門電壓有明顯響應。也就是說，不可避免地，一小部分碳納米管將會呈現金屬特性，並且將減慢或阻止晶體管切換。對於這些故障，先進的電路將需要純度在99.999999%左右的碳納米管，這在今天幾乎是不可能生產的。

對此，麻省理工學院科學家馬克斯·舒拉克及同事提出了一種名為DREAM (an acronym for “designing resiliency against metallic CNTs”)的技術，該技術以一種不會干擾計算的方式定位金屬碳納米管。在此過程中，他們將嚴格的純度要求降低了約4個數量級，即10000倍，這意味著他們只需要純度達到99.99%左右的碳納米管，目前這是可以實現的。

設計電路基本上需要一個由連接到晶體管上的不同邏輯門組成的庫，這些邏輯門可以組合在一起，例如，創建加法器和乘法器——就像組合字母表中的字母來創建單詞一樣。研究人員發現，金屬碳納米管對這些門的不同配對有不同的影響。例如，A門中的一個金屬碳納米管可能會破壞A和B之間的連接，但是B門中的幾個金屬碳納米管可能不會影響A和B之間的任何連接。

在芯片設計中，有許多方法可以將代碼實現到電路中。研究人員進行了模擬，發現所有不同的柵極組合對任何金屬碳納米管都是穩健的，而對任何金屬碳納米管都不具有魯棒性。然後，他們定製了一個芯片設計程序，自動學習最不受金屬碳納米管影響的組合。在設計新芯片時，程序只利用穩健的組合，而忽略脆弱的組合。

該微處理器基於RISC-V開源芯片架構。研究團隊將該微處理器命名為“RV16X-NANO”，並在測試中成功執行了一個程序，生成信息： “Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.”

研究人員總結稱，鑑於這個微處理器的設計和製造採用了行業標準，因此這項研究為超越硅的電子學指明瞭一個富有前景的發展方向。

編輯：芯智訊-林子