導讀

據美國麻省理工學院（MIT）官網近日報道，該校研究人員用碳納米管晶體管制作出一款新型微處理器。該微處理器被廣泛認為是比傳統硅處理器更快速、更綠色的替代品。

背景

晶體管，是人類現代歷史中最偉大的發明之一。現代電子設備例如電腦、智能手機、智能硬件等，都離不開晶體管。在集成電路技術出現以后，大量的晶體管可被封裝在一片指甲蓋大小的芯片內。這種晶體管由源極、漏極和位于它們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流開關的作用。

著名的摩爾定律指出：“當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。”正如摩爾定律所預測的，如今晶體管的尺寸在不斷縮小，單顆芯片上集成的晶體管數量在不斷增加，可以開展越來越復雜的運算。

但是近年來，摩爾定律正在面臨嚴峻挑戰。傳統的晶體管主要都是由硅材料制成的。對于硅晶體管來說，7納米堪稱物理極限。一旦硅晶體管的尺寸低于這個數字，由于“量子隧道效應”，電子將不再受制于歐姆定律，穿越了本來無法穿越的勢壘。這樣會引起集成電路的漏電現象，讓晶體管變得不再可靠。

為了解決上述問題，讓摩爾定律繼續煥發生機與活力，產業界與科學界的有識之士們開始積極尋找新材料，這些材料的目標就是取代硅，生產出尺寸更小、性能更佳、功耗更低的新一代晶體管。

例如，筆者曾經介紹過美國勞倫斯伯克利國家實驗室利用納米碳管與二硫化鉬研制出全球最小的晶體管，其晶體管制程僅為1納米。

又例如，加拿大麥吉爾大學和蒙特利爾大學的研究表明，黑磷有望成為晶體管的一種非常好的候選材料。此外，其他的二維材料，例如石墨烯、六方氮化硼、二硒化鎢等都可以用于打造新型晶體管。

其中，非常值得關注的材料之一就是碳納米管（CNTs）。從形狀上說，它主要是由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多卓越的力學、電學和化學性能。

制造碳納米管場效應晶體管（CNFET）已成為打造新一代計算機的主要目標之一。研究表明，CNFETs 具有十倍于硅的能量效率，以及更快的運行速度。但是大規模生產時，這些晶體管通常會具有許多影響性能的缺陷，顯得不切實際。

創新

近日，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員在花費數年時間應對設計與制造方面的挑戰之后，用碳納米管晶體管制作出一款新型微處理器。該微處理器被廣泛認為是比傳統硅處理器更快速、更綠色的替代品。

8月28日，研究人員在《自然（Nature）》期刊上發表的論文中描述了這一微處理器。它采用傳統的硅芯片制造工藝制造，代表了朝著制造更加實用的碳納米管微處理器邁出了重要一步。

技術

MIT 的研究人員采用傳統硅芯片鑄造廠的工藝流程，發明了新技術，極大地限制了缺陷，并實現了 CNFETs 制造過程中的全功能控制。他們展示了一款具有14000個 CNFETs 的16位微處理器，它可以執行與商用微處理器相同的任務。《自然》期刊上的相關論文描述了微處理器的設計，包括70多頁的詳細制造方法。

該微處理器基于 RISC-V 開源芯片架構，該架構具有一組微處理器可以執行的指令。研究人員設計的微處理器可以準確地執行全部指令集，也執行了修改版的經典“Hello, World!（你好，世界！）”程序，打印出：“Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.（你好，世界！我是 RV16XNano，由碳納米管制成。）”。

電氣工程與計算科學（EECS）系助理教授、微系統技術實驗室成員、論文合著者 Max M. Shulaker 表示：“迄今為止，這是由新興納米技術制造出的最先進的芯片，它有望實現高性能且高能效的計算。硅具有局限性。所以，如果我們想要在計算領域繼續取得進展，碳納米管是最有希望克服這些局限的方法之一。研究論文徹底革新了我們用碳納米管制造芯片的方式。”

除掉 CNFETs 的‘禍根’

這款微處理器是 Shulaker 及其他研究人員在6年前設計的一個迭代版本基礎上開發的，當時的版本只有178個 CNFETs，并只能在單比特數據上運行。從那時起，Shulaker 和他在麻省理工學院的同事們就開始應對碳納米管微處理器制造過程中的三個獨特的挑戰：材料缺陷、制造缺陷和功能問題。Gage Hills 負責大部分的處理器設計工作，而 Christian Lau 則負責大部分的制造工作。

Shulaker 表示，多年來，碳納米管的固有缺陷一直是這個領域的“禍根”。理想情況下，CNFETs 需要半導體特性來打開或者關閉其導電性，分別與比特位是1或0相對應。但不可避免的是，一小部分的碳納米管將會具有金屬性，從而減緩或者阻止晶體管的開關。為了避免這些失敗，先進的電路將需要純度達99.999999%的碳納米管，而這在現今幾乎是不可能生產出來的。

研究人員提出了一項稱為 DREAM（“designing resiliency against metallic CNTs”的縮寫，即設計對抗金屬性的碳納米管）的技術。這項技術以一種方式放置金屬性的 CNFETs，使之不會干擾計算。在這個過程中，他們將嚴格的純度要求放寬了四個數量級，或者說1萬倍，這意味著他們只需要純度達99.99%的碳納米管，而目前這是可以制備出來的。

基本上，設計電路需要一個由連接到晶體管上不同的邏輯門組成的庫，而這些邏輯門可以組合到一起，就像將字母拼接成單詞一樣創造加法器和乘法器。研究人員發現，金屬碳納米管對于這些邏輯門的不同組合的影響是不同的。例如，邏輯門A中的單個金屬碳納米管，可能會破壞邏輯門A與邏輯門B之間的連接。但是邏輯門B中的幾個金屬碳納米管卻不會影響它們的連接。

在芯片設計中，有許多方法可以在電路上實現代碼。研究人員進行了模擬，以找到所有不同的邏輯門組合，它們對于任何金屬碳納米管來說可能是“魯棒性的”或者是“非魯棒性的”。然后，他們定制了一個芯片設計程序，自動尋找最不可能受到金屬碳納米管影響的組合。當設計一個新型芯片時，程序將只利用“魯棒”的組合，并忽略有漏洞的組合。

Shulaker 表示：“‘DREAM’這個雙關語非常有意義，因為它是大家夢寐以求的解決方案。這個方法使得我們可以購買現成的碳納米管，將它們放到晶圓上，像平常一樣去構造我們的電路，不需要做其他任何特殊的事情。”

剝離與調優

CNFET 制造始于在溶液中將碳納米管沉積到具有預先設計好的晶體管結構的晶圓上。然而，一些碳納米管會不可避免地隨機粘在一起，形成大束，就像意大利面串成小球一樣，在芯片上形成了大顆粒污染物。

為了清除這種污染物，研究人員發明了 RINSE （removal of incubated nanotubes through selective exfoliation，用選擇性剝離的方法去除孵化的納米管）技術。晶圓會通過一種促進碳納米管粘合的試劑進行預處理。然后，晶圓被涂上某種聚合物，并浸入一種特殊的溶劑中。這樣一來可以沖走聚合物，而這些聚合物只能將帶走大束的碳納米管，而單個碳納米管仍會粘附在晶圓上。與其他類似方法相比，該技術可使芯片上的顆粒密度降低約250倍。

最后，研究人員解決了 CNFET 常見的功能性問題。二進制計算需要兩種類型的晶體管：“N”型晶體管，打開代表比特位為1，關閉代表比特位為0；“P”型晶體管則相反。傳統意義上說，用碳納米管制造這兩種類型的晶體管是極具挑戰性的任務，因為通常會產生性能各異的晶體管。為了解決這個問題，研究人員開發出一項稱為 MIXED（metal interface engineering crossed with electrostatic doping，與靜電摻雜交叉的金屬界面工程）的技術，它能精確地調整晶體管的功能和優化。

在這項技術中，他們把某些金屬（鉑或鈦）附著在每個晶體管上，這樣就可以將晶體管固定為P或者N。然后，他們通過原子層沉積法將 CNFET 涂覆到某種氧化物化合物上，從而調整晶體管的特性，以滿足特定應用的需求。例如，服務器通常需要運行速度快但耗電多的晶體管。從另一方面來說，可穿戴設備和醫療植入物可能需要速度較慢、功耗較低的晶體管。

未來

他們的主要目標是將該芯片推向現實世界。為實現該目的，研究人員現在已經開始通過支持這項研究的美國國防部高等研究計劃局的一個項目，將他們的制造技術應用到一家硅芯片鑄造廠中。雖然現在還沒有人能斷言，完全由碳納米管制成的芯片何時將會上市。但 Shulaker 表示：“它可能在五年內得以實現。我們認為這不再是一個能否實現的問題，而只是何時實現的問題。