MIT用14000個(gè)碳納米管晶體管造出16位微處理器

今天，來自MIT的Gage Hills等人今天在Nature發(fā)表論文，報(bào)告了碳納米管芯片制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展：一個(gè)完全由碳納米晶體管構(gòu)成的16位微處理器。這是迄今為止用碳納米管制造的最大的計(jì)算機(jī)芯片。

幾十年來，電子技術(shù)的進(jìn)步一直由硅晶體管尺寸的不斷縮小而推動(dòng)。然而，硅晶體管縮小變得越來越困難，現(xiàn)在的收益正在遞減。

以半導(dǎo)體碳納米管為基礎(chǔ)的晶體管作為先進(jìn)微電子器件中硅晶體管的替代品，顯然很有前景。但碳納米管固有的納米級(jí)缺陷和可變性，以及處理它們面臨的挑戰(zhàn)，阻礙了它們?cè)谖㈦娮宇I(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

一個(gè)完整RV16XNANO裸片的顯微圖像。處理器核心位于裸片中間，測(cè)試電路環(huán)繞在外圍

作者表示，他們利用14000多個(gè)碳納米管晶體管制造出一個(gè)16位微處理器，證明可以完全由碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CNFET)打造超越硅的微處理器，其設(shè)計(jì)和制造方法克服了之前與碳納米管相關(guān)的挑戰(zhàn)，有望為先進(jìn)微電子裝置中的硅帶來一種高效能的替代品。

他們將這個(gè)處理器命名為RV16X-NANO，這款16位的微處理器基于RISC-V指令集，在16位數(shù)據(jù)和地址上運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的32位指令，包含14000多個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 CNFET，并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。

一個(gè)完整的RV16X-NANO 150毫米晶圓，每個(gè)晶圓包含32個(gè)裸片

具體而言，Hills及同事提出一套碳納米管的制造方法，包括綜合處理和設(shè)計(jì)技術(shù)，以克服整個(gè)晶圓宏觀尺度上的納米級(jí)缺陷。

他們利用一種剝落工藝防止碳納米管聚合在一起，以防晶體管無法正常工作。此外，通過細(xì)致的電路設(shè)計(jì)（減少了金屬型碳納米管而非半導(dǎo)體型碳納米管的數(shù)量，后者的存在不會(huì)影響電路的功能），他們還克服了一些和碳納米管雜質(zhì)相關(guān)的問題。

作者將其微處理器命名為“RV16X-NANO”，并在測(cè)試中成功執(zhí)行了一個(gè)程序，生成消息：“你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成?！?/p>

“你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成”

里程碑突破！克服三大缺陷，提出完整碳納米管制造方法

碳納米管(Carbon Nanotube ，縮寫為 CNT)是一種直徑僅為 1 納米，或十億分之一米的管狀納米級(jí)石墨晶體。幾天前在Hot Chips會(huì)議上，臺(tái)積電研發(fā)負(fù)責(zé)人黃漢森(Phillip Wong)在談到未來要將晶體管將縮小到0.1nm尺度，便提出碳納米管作為一種使晶體管更快、更小的新技術(shù)，正在變得切實(shí)可用。

在過去10年中，CNT技術(shù)已經(jīng)得到快速的發(fā)展，以往的研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單個(gè)CNFET、單個(gè)數(shù)字邏輯門，乃至小型的數(shù)字電路和系統(tǒng)。2013年，MIT的研究組實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng)演示：一個(gè)由178個(gè)CNFET組成的計(jì)算機(jī)原型，但它所能做的很有限，只實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)數(shù)據(jù)位上操作的單條指令。

圖1：RV16X-NANO。a是制備的RV16X-NANO芯片，裸片面積6.912 mm×6.912 mm

這些小規(guī)模的演示與包含數(shù)萬個(gè)(例如微處理器)甚至數(shù)十億個(gè)(例如高性能計(jì)算服務(wù)器) FET的現(xiàn)代系統(tǒng)之間仍然存在很大的脫節(jié)。

具體到CNT，存在三個(gè)內(nèi)在的挑戰(zhàn)：材料缺陷、制造缺陷和可變性。

材料缺陷：由于無法精確控制碳納米管的直徑，導(dǎo)致每次合成的碳納米管中都含有一定比例的金屬CNT，這會(huì)導(dǎo)致高泄漏電流和潛在的錯(cuò)誤邏輯功能。

制造缺陷：在晶圓制造過程中，CNT天生地“捆綁”在一起，形成厚的CNT聚集體，這會(huì)導(dǎo)致CNFET失效(降低CNFET電路成品率)，以及超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造過程中令人望而卻步的高顆粒污染率。

可變性：以前實(shí)現(xiàn)CNT CMOS的技術(shù)要么依賴于極強(qiáng)反應(yīng)性、非空氣穩(wěn)定、非硅CMOS兼容的材料，要么缺乏可微調(diào)性、穩(wěn)健性和重現(xiàn)性。這嚴(yán)重限制了CNT CMOS的復(fù)雜性。

在這項(xiàng)工作中，作者克服了固有的CNT缺陷和變化性，成功制造出超越硅的現(xiàn)代微處理器：RV16X-NANO，其設(shè)計(jì)和制造完全使用碳納米管晶體管。

他們提出一套碳納米管制造方法(manufacturing methodology for CNTs，MMC)，將原始的處理和電路設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合起來克服了固有的碳納米管的挑戰(zhàn)。

圖4：MMC。RV16X-NANO的設(shè)計(jì)和制造流程

MMC的關(guān)鍵要素是：

RINSE(removal of incubated nanotubes through selective exfoliation)。提出一種通過選擇性機(jī)械剝落工藝去除CNT聚集體缺陷的方法。在不影響非聚集CNTs或降低CNFET性能的情況下，RINSE方法可將CNT聚集體缺陷密度降低>250倍。

MIXED(metal interface engineering crossed with electrostatic doping)。所提出的 CNT 摻雜工藝結(jié)合了金屬接觸功函數(shù)工程和靜電摻雜，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的晶圓級(jí) CNFET CMOS 工藝

DREAM(designing resiliency against metallic CNTs)。該技術(shù)通過電路設(shè)計(jì)完全克服了金屬碳納米管的存在。DREAM將對(duì)金屬CNT純度的要求放寬了1萬倍左右(從半導(dǎo)體CNT純度要求99.999999%放寬到99.99%)，不需要額外的加工步驟或冗余。DREAM是使用標(biāo)準(zhǔn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具實(shí)現(xiàn)的，成本最低，并使具有CNT純度的數(shù)字VLSI系統(tǒng)可以商用。

更重要的是，整個(gè)MMC是晶圓級(jí)的，與超大規(guī)模集成電路兼容，并且在設(shè)計(jì)和處理方面與現(xiàn)有的硅集成電路基礎(chǔ)設(shè)施無縫集成。

具體來說，RV16X-NANO是使用標(biāo)準(zhǔn)EDA工具設(shè)計(jì)的，并且只利用了與商用硅CMOS制造設(shè)施兼容的材料和工藝。

總之，這些貢獻(xiàn)構(gòu)建起強(qiáng)大的CNT CMOS技術(shù)，并代表了超越硅的電子發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。

RV16X-NANO的架構(gòu)和設(shè)計(jì)

作者開發(fā)了一種可行的納米晶體管技術(shù)，提供兩種晶體管：p型金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)和n型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)。在數(shù)字電子學(xué)中，計(jì)算被分成一系列基本(邏輯)操作，這些操作由稱為邏輯電路的部件執(zhí)行。目前電子工業(yè)中這些電路的設(shè)計(jì)是基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的，需要PMOS和NMOS晶體管。

當(dāng)一個(gè)負(fù)(或正)電壓被施加到一個(gè)稱為柵極的電極上時(shí)，PMOS(或NMOS)晶體管就被接通。該電極控制兩個(gè)電極(源極和漏極)之間通道的導(dǎo)電性(在本例中通道由碳納米管組成)。當(dāng)一個(gè)PMOS晶體管和一個(gè)NMOS晶體管串聯(lián)時(shí)，結(jié)果是一個(gè)稱為逆變器(inverter)的元件(如下圖所示)。如果對(duì)這樣的逆變器施加低電壓，輸出電壓就會(huì)很高，反之亦然。這個(gè)元件是Hills及其同事設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)中所有邏輯電路的基本組成部分。

一個(gè)碳納米管逆變器

作者通過在基板上形成隨機(jī)分布的高純度(99.99%)半導(dǎo)體納米管網(wǎng)絡(luò)來制作晶體管。它的形成過程類似于將一碗煮熟的意大利面倒在一個(gè)表面上，然后將所有不與表面直接接觸的面條去除。其結(jié)果是基板上覆蓋有一層大致是單層的隨機(jī)取向的納米管。

圖2：RV16X-NANO的架構(gòu)和設(shè)計(jì)

然后，Hills等人在納米管上沉積金屬，將它們與源極和漏極連接起來。這種金屬的功函數(shù)(從表面去除電子所需的能量)取決于該器件是PMOS晶體管還是NMOS晶體管。作者用精心挑選和修剪過的氧化物材料覆蓋了每根納米管的其余部分，以便將納米管與其周圍環(huán)境隔離開來，并調(diào)整它們的性能。原則上，基板不需要由硅制成；它只需要是平的。此外，加工過程發(fā)生在相對(duì)較低的溫度(約200-325℃)，因此可以很容易堆疊其他功能層。

你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)是基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫的。Hills和他的同事們?cè)O(shè)計(jì)了使用商用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具來構(gòu)建計(jì)算機(jī)架構(gòu)所必需的所有標(biāo)準(zhǔn)單元。由于半導(dǎo)體納米管的純度為99.99%，其中約0.01%是金屬(非半導(dǎo)體)，可能會(huì)危害電路。然而，某些標(biāo)準(zhǔn)單元的組合比其他更容易受到金屬納米管的影響。因此，作者強(qiáng)制執(zhí)行修改后的設(shè)計(jì)規(guī)則，將這種脆弱的組合排除在外。

有了這些工具，他們就可以通過讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行“Hello, World”(一個(gè)在運(yùn)行時(shí)輸出“Hello, World”消息的簡(jiǎn)單程序)來設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試他們的處理器了。

圖3：RV16X-NANO實(shí)驗(yàn)結(jié)果。a、實(shí)驗(yàn)測(cè)量波形來自RV16X-NANO，執(zhí)行了著名的“Hello, World”程序。

Hills及其同事的碳納米管處理器基于CMOS技術(shù)，在16位數(shù)據(jù)上運(yùn)行32位指令，晶體管通道長(zhǎng)度約為1.5微米。因此，它可以與基于硅的英特爾80386處理器相比較，后者是1985年推出的，具有類似的規(guī)格。早期的80386可以以16兆赫的頻率處理指令，而碳納米管處理器的最大處理頻率約為1兆赫。造成這種差異的原因在于電子元件的電容(電荷存儲(chǔ)能力)，以及最小晶體管所能輸出的電流量。

數(shù)字邏輯僅僅涉及晶體管柵極和互連進(jìn)行充電和放電。充電和放電的速度取決于晶體管所能提供的電流的大小，這與晶體管的寬度和長(zhǎng)度有關(guān)。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的硅晶體管可以提供大約寬度每微米1毫安的電流(1 mA μm?1) 。相比之下， Hills 等人使用的典型納米管晶體管，只能提供大約6μA μm?1。這是該處理器的未來版本主要需要改進(jìn)的地方。

增加電流的第一步是減小晶體管通道的長(zhǎng)度。已經(jīng)證明納米管晶體管的通道長(zhǎng)度可以縮減到5納米。第二步是將每個(gè)通道的納米管密度從每微米10個(gè)納米管增加到每微米500個(gè)納米管。

對(duì)于這些隨機(jī)分布的納米管網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)的密度可能會(huì)存在上限，但沉積技術(shù)已經(jīng)被證明能夠?qū)⑦@種網(wǎng)絡(luò)的電流提高到1.7 mA μm?1。

第三步是減小晶體管的寬度，從而減小源極和漏極的寬度，使這些電極能更快地充放電?？s小晶體管尺寸對(duì)于以納米管為基礎(chǔ)、以千兆赫頻率工作的CMOS技術(shù)來說是必不可少的

Hills及其同事的研究成果是基于對(duì)每個(gè)晶體管通道中幾個(gè)納米管性能進(jìn)行平均。在未來的大規(guī)模納米管計(jì)算機(jī)中，PMOS和NMOS晶體管將只包含一個(gè)納米管。這些納米管必須是半導(dǎo)體的：如果逆變器中的兩個(gè)納米管中有一個(gè)是金屬的，那么沒有任何設(shè)計(jì)技巧可以解決這個(gè)問題。

這項(xiàng)工作毫無疑問是一個(gè)偉大的成就，涉及從材料科學(xué)到加工技術(shù)、從電路設(shè)計(jì)到電氣測(cè)試等許多研究課題。當(dāng)然，在實(shí)現(xiàn)商用之前，還需要更多的努力。