Vědci poprvé vyrobili procesor z nanotrubiček: 16bitový RISC-V s 14000 tranzistory

2
Procesor RV16X Nano z uhlikovych nanotrubic MIT 1600
Procesor RV16X-Nano z uhlíkových nanotrubic (Foto: MIT)

Grafen nebo uhlíkové nanotrubice se často skloňují jako zázračné materiály, které by mohly jednou nějakým způsobem nahradit křemík coby kritický základ výkonných polovodičových čipů. Ovšem zatím to vždy byly jen předpoklady a víme, že tyto materiály by měly mít velmi dobré vlastnosti a možná by dokonce mohly odvrátit krizi, až křemík přestane stačit, ještě se nepřišlo na to, jak z nich čipy vyrábět. První nesmělé krůčky už ovšem ano. Výzkumníkům se nyní zřejmě poprvé podařilo sestavit z nich kompletní a fungující procesor.

 

První procesor s tranzistory z nanotrubic

O tento experimentální úspěch se zasloužili vědci z univerzity MIT a také z firmy Analog Devices. V jejich spolupráci se podařilo dostat do provozu procesor s jádrem RISC-V (instrukční sada je asi zvolená kvůli jednoduchosti, ale také proto, že je v akademické sféře díky otevřenosti pro studie používána hodně často). Má 32bitovou instrukční sadu, ale jen 16bitové adresování paměti a zpracovává jenom 16bitová data, takže jej lze považovat spíš za 16bitový, vědci jej pojmenovali RV16X-Nano.

V současnosti je relativně lehké vyrábět samotné uhlíkové nanotrubičky, ale není snadné získat čistě polovodičové nanotrubičky. Při jejich produkci vznikají totiž jak takové, které se chovají jako polovodič, tak takové, jež se chovají jako kov. Při separaci jen polovodičové verze se dá dosáhnout poměrně vysoké čistoty, ale zdaleka ne dostatečné. Toto ovšem není jediný problém, současně je také obtížné nanotrubičky tzv. dopovat jinými elementy, aby se z nich vytvořil polovodič typu P nebo N.

Druhý zásadní problém pro vědce byl, že nanotrubičky zatím nelze přinutit k formování přímo tam, kde by to bylo třeba. Místo toho je nutné vyrobit je separátně a pak je aplikovat na dané místo. Ovšem při takovémto „posypání“ budou trubičky orientovány náhodnými směry a v některým místech mohou vzniknout nerovnoměrné koncentrace.

Komplikovaný postup výroby

Při tvorbě tohoto prvního procesoru z nanotrubiček musela proto být použita metoda, která by se těmto problémům vyhnula nebo je „přežila“. Sice byla úspěšná, ale pravděpodobně bude mít hlavně význam demonstrace, protože podobným stylem by asi masová výroba probíhat nemohla. Pro tu by se muselo přijít na jednodušší a robustnější cesty.

Procesor RV16X Nano z uhlikovych nanotrubic MIT 02
Procesor RV16X-Nano z uhlíkových nanotrubic pod mikroskopem (Foto: MIT)

Procesor není vyroben čistě jen z nanotrubic, má stále kovovou vrstvu mezispojů s plochami, které jsou určené pro propojení uhlíkovými tranzistory (toto ovšem platí i pro „křemíkové“ čipy). Při formování vrstvy tranzistorů se nanesou nanotrubice v celé ploše. Kovové kontakty mají tak velkou plochu, aby je v místě zamýšlených tranzistorů propojilo vždy alespoň několik nanotrubic – problém náhodné orientace je tedy řešen hrubou silou, kdy díky velikosti struktury nad náhodností vyhraje statistická pravděpodobnost. Čip je ovšem pak neprakticky/neekonomicky velký, zde jsme tedy u toho, že takovýto postup nebude použitelný v praxi.

Na nanotrubicemi pokrytou plochu se pak aplikuje další vrstva polymerového materiálu, jež se pak zase obratem smyje pryč rozpouštědlem. Na tuto vrstvu se totiž nalepí trubice, které se v nějakém místě shlukly (místo rovnoměrné distribuce je jich najednou klubko/hromádka) a zůstanou jen ty ležící hezky v jedné vrstvičce na podkladu.

Dále je pak potřeba z vrstvy teď už jednotlivých nanotrubic udělat jen jednotlivé tranzistory. To je provedeno tak, že se z celého podkladu odebírá materiál (a s ním i nanotrubice na povrchu), dokud nezůstanou jen místa, která mají formovat tranzistor. Tato místa jsou pak plošně nadopována atomy platiny nebo titanu, což nanotrubice v těchto místech konvertuje na polovodič typu P nebo N, podle toho, který je třeba. Kromě toho ale vědci přišli také s metodou, kdy jsou na ně aplikovány různé oxidy, což pak dokáže měnit vlastnosti tranzistoru.

Architektura hradel obchází defekty

Tím je čip v podstatě z velké části hotový – má vrstvu kovových mezispojů a na ní tranzistory (CNFET) pro přepínání. Ovšem je zde onen problém, že některé nanotrubice v tomto výrobku mohou, respektive budou kovové, což vytvoří defekt, neboť takový spoj bude neustále vodivý a nebude se dát vypnout jako polovodičová nanotrubice. Protože problém čistoty směsi použitých nanotrubic vyřešený není, kovové nanotrubice vědci prostě nechali tam, kde jsou, a defekt obešli v architektuře čipu.

Pomocí zde bylo použití těch typů logických hradel v návrhu, které jsou méně náchylné k znefunkčnění kvůli přítomnosti kovové nanotrubice, místo typů, které náchylné jsou. Logika procesoru se totiž dá tvořit alternativně z různých hradel (NOT, AND, OR, NOR, NAND…), takže bylo možné si vybrat, z kterých budou elementy procesoru sestavovány. Toto může vést k neoptimálnímu návrhu, kdy je třeba víc tranzistorů, než obvykle, ale to je zde třeba překousnout.

Procesor RV16X Nano z uhlikovych nanotrubic MIT 03
Procesor RV16X-Nano z uhlíkových nanotrubic, schéma (Foto: MIT)

Procesor funguje, ale komerčně použitelná metoda výroby ne

Nakonec vyrobený procesor RV16X-Nano je funkční, podle zprávy má více než 14 000 tranzistorů tvořených nanotrubicemi (tedy CNFETy), které všechny fungují. Ověřeno to bylo spuštěním programu typu Hello World. Frekvence je ovšem jen celkem miniaturních 10 kHz, tedy o velký počet řádů horší než u křemíkového čipu, jenž bude mnohem menší a vyrobí se rychle a za pár korun. Takt by se dal vylepšit zredukováním délky kanálů tranzistorů (mezer mezi kontakty, které tranzistor přemosťuje). Ovšem pro skutečnou produkci nanotrubicových čipů bude třeba vyřešit problém s koncentrací kovových nanotrubic, aby tyto defekty nekazily sériové vyráběné čipy.

Tip: Nevolatilní paměti Nantero NRAM z uhlíkových nanotrubic

A aby plocha čipu (a výkon) byly konkurenceschopné, muselo by se vše miniaturizovat ideálně na stav, kdy každý tranzistor bude tvořen jen jednou uhlíkovou nanotrubicí. To znamená, že se musí vyřešit problém náhodné orientace nanášených nanotrubic a najít způsob, jak je deponovat přesně tam, kam chceme, v požadované orientaci. Jak podotýká web Ars Technica, od kterého jsme tuto zprávu přejali, toto zrovna během experimentu řešeno nebylo a tedy jsme se komerční výrobě takovýchto čipů nepřiblížili. Ovšem je ověřeno, že při jejich zvládnutí by nanotrubicové procesory fungovaly.

Galerie: RISC-V procesor RV16X-Nano vyrobený z uhlíkových nanotrubic


Vědci poprvé vyrobili procesor z nanotrubiček: 16bitový RISC-V s 14000 tranzistory
Ohodnoťte tento článek!
5 (100%) 18 hlas/ů

2 KOMENTÁŘE

  1. Máte tam poměrně dost překlepů, zde jsou ty, kterých jsem si všiml, pokud byste je chtěli opravit:

    výkoných – výkonných
    díky snadno díky otevřenosti – díky otevřenosti
    záskat – získat
    použitá metoda – použita metoda
    néhodné orientace – náhodné orientace
    konverzuje – konvertuje
    odkáže měnit – dokáže měnit
    nepřiblížily – nepřiblížili

    Jinak díky za zajímavý článek!