Microprocessor van koolstofnanobuisjes ziet het licht

Na jaren van onderzoek en het oplossen van talloze ontwerp- en productie-uitdagingen, zijn MIT-onderzoekers erin geslaagd om een microprocessor te bouwen van koolstof nanobuis-transistoren. En dat met de processen die gebruikelijk zijn voor de fabricage van silicium-chips. Dit maakt het natuurlijk een stuk gemakkelijker om over te stappen.

Het onderzoek is beschreven in het tijdschrift Nature.

Zoals voorspeld in de wet van Moore, is de industrie er tot nu toe in geslaagd om elke 2 jaar 2 keer zoveel transistors op siliciumchips te proppen en daarmee steeds complexere berekeningen uit te voeren. Experts menen echter dat de transistoren het einde van hun houdbaarheid naderen en steeds inefficiënter zullen worden.
Het maken van koolstof nanobuisveldeffecttransistoren (CNFET) is daarom een belangrijk doel geworden voor bouwers van computers van de volgende generatie. Volgens onderzoek hebben CNFETs eigenschappen die ongeveer 10 keer de energie-efficiëntie en veel hogere snelheden beloven dan haalbaar is met silicium. Maar wanneer ze op schaal worden gefabriceerd, hebben de transistors tot nu toe defecten die de prestaties beïnvloeden.

De MIT-onderzoekers hebben nieuwe technieken bedacht om deze defecten te beperken en volledige functionele controle mogelijk te maken bij het fabriceren van CNFET’s, met behulp van processen in traditionele siliciumchipgieterijen. Ze demonstreerden een 16-bit microprocessor met meer dan 14.000 CNFET’s die dezelfde taken uitvoeren als commerciële microprocessors. Het Nature-artikel beschrijft het ontwerp van de microprocessor en bevat meer dan 70 pagina’s met details over de productiemethode.

De microprocessor is gebaseerd op de RISC-V open-source chiparchitectuur die een set instructies heeft die een microprocessor kan uitvoeren. De nieuwe microprocessor kon de volledige set nauwkeurig uitvoeren, alsmede een aangepaste versie van het klassieke programma ‘Hallo, wereld!’.

“Dit is veruit de meest geavanceerde chip van elke veelbelovende opkomende nanotechnologie voor high-performance en energiezuinig computergebruik”, zegt co-auteur Max Shulaker.

Vechten tegen de ‘vloek’ van CNFETs

De microprocessor bouwt voort op een eerdere versie die Shulaker en andere onderzoekers zes jaar geleden ontwierpen, en die slechts 178 CNFETs had en op een enkele bit data draaide. Sindsdien heeft het team 3 specifieke uitdagingen aangepakt bij het produceren van de apparaten: materiaalfouten, fabricagefouten en functionele problemen.

De defecten die inherent zijn aan koolstofnanobuisjes zijn al jaren de ‘vloek van dit gebied’, zegt Shulaker. “Idealiter gebruiken CNFETs hun halfgeleidende eigenschappen om hun geleidbaarheid in en uit te schakelen, overeenkomend met de bits 1 en 0. Maar een klein deel van koolstofnanobuizen is altijd metaalachtig en vertraagt of stopt de transistor. Om robuust te zijn, hebben de circuits koolstofnanobuisjes nodig met een zuiverheid van ongeveer 99,999999%, wat vrijwel onmogelijk te produceren is.”

De onderzoekers bedachten een techniek genaamd Dream (designing resiliency against metallic CNTs) die de metalen zo positioneert dat ze het computergebruik niet verstoren. Hiermee hebben ze de strenge zuiverheidseis met ongeveer vier orden van grootte versoepeld, wat betekent dat ze kunnen volstaan koolstofnanobuisjes nodig hebben met een zuiverheid van ongeveer 99,99%. En die zijn maakbaar.

Het ontwerpen van circuits heb je een bibliotheek nodig van verschillende logische poorten verbonden met transistors die kunnen worden gecombineerd om bijvoorbeeld adders en multipliers te creëren – zoals je letters combineert om woorden te maken. De onderzoekers realiseerden zich dat de metalen koolstofnanobuisjes verschillende cobinaties van deze poorten verschillend beïnvloedden. Een metalen koolstofnanobuis in poort A kan bijvoorbeeld de verbinding tussen A en B verbreken terwijl die blijft bestaan als er meerdere metalen koolstofnanobuizen in poort B zitten.

Bij chipontwerp zijn er veel manieren om code in een circuit te implementeren. De onderzoekers hebben simulaties uitgevoerd tot ze alle verschillende poortcombinaties hadden gevonden die robuust zouden zijn in geval van metalen nanobuisjes. Vervolgens hebben ze een chip-ontwerpprogramma opgesteld dat de combinaties kan leren die waarschijnlijk het minst worden beïnvloed. Bij het ontwerpen van een nieuwe chip zal het programma de robuuste combinaties gebruiken en de kwetsbare negeren.

“De woordspeling ‘Dream’ is geen toeval, omdat het de droomoplossing is,” zegt Shulaker. “Hiermee kunnen we kant-en-klare koolstofnanobuisjes kopen, ze op een wafel plaatsen, en ons circuit verder als gewoonlijk opbouwen, zonder iets speciaals te doen.”

Scrubben en afstemmen

CNFET-fabricage begint ermee koolstofnanobuisjes in een oplossing op een wafer met vooraf ontworpen transistorarchitectuur te doen. Sommige koolstofnanobuisjes kleven echter samen en vormen grote bundels die grote de chip vervuilen.

Om die verontreiniging op te ruimen, creëerden de onderzoekers Rinse (removal of incubated nanotubes through selective exfoliation). De wafer wordt voorbehandeld met een middel dat de koolstof nanobuisadhesie bevordert. Vervolgens wordt de wafer bedekt met een bepaald polymeer en ondergedompeld in een oplosmiddel. Dat wast het polymeer weg, dat de koolstofbundels meesleept, terwijl de enkele nanobuizen aan de wafer blijven plakken. De techniek leidt ertoe dat er ongeveer 250 keer minder deeltjes op de chip blijven zitten dan bij vergelijkbare methoden.

Tenslotte hebben de onderzoekers veelvoorkomende functionele problemen met CNFETs aangepakt. Voor binair computergebruik zijn twee soorten transistoren nodig: ‘N’ -typen, die met 1 bit worden ingeschakeld en met 0 bit worden uitgeschakeld, en ‘P’ -typen die het tegenovergestelde doen. Tot nu toe was het maken van de twee soorten koolstofnanobuisjes een uitdaging die transistoren opleverde met wisselende prestaties. De MIT-ers hebben ook hiervoor een nieuwe techniek met een mooie naam ontwikkeld, Mixed (metal interface engineering crossed with electrostatic doping), die transistors nauwkeurig afstemt op functie en optimalisatie.

In deze techniek hechten ze bepaalde metalen aan elke transistor – platina of titanium – waarmee ze die transistor kunnen fixeren als P of N. Vervolgens coaten ze de CNFETs in een oxideverbinding door atomaire-laagdepositie, waardoor ze de transistors fixeren voor specifieke toepassingen. Servers hebben bijvoorbeeld vaak transistors nodig die zeer snel werken maar energie en kracht verbruiken. Wearables en medische implantaten kunnen daarentegen tragere transistors gebruiken met een laag vermogen.

Het belangrijkste doel is om de chips in de echte wereld te krijgen. Daartoe zijn de onderzoekers nu begonnen met het implementeren van hun productietechnieken in een siliciumchipgieterij via een programma van Defense Advanced Research Projects Agency, dat het onderzoek ondersteunde. Hoewel niemand kan zeggen wanneer chips die volledig zijn gemaakt van koolstofnanobuisjes in de schappen komen, zegt Shulaker dat het minder dan vijf jaar kan duren.

02 september 2019    Engineers Online

Terug naar overzicht