美國麻省理工學院的研究人員采用碳納米管晶體管（Carbon Nanotube Transistors）成功研制出16位RISC-V微處理器，其設計流程和工藝均遵照行業(yè)標準，但能效比硅基微處理器高10倍。

由于硅技術不再遵循歷史規(guī)律發(fā)展，業(yè)界已經對硅以外的納米技術進行了大量研究。盡管基于碳納米管場效應晶體管（CNFET）的數字電路提供了一種顯著提高能效的方法，但因為無法完全控制碳納米管中固有的納米級缺陷和可變性，阻礙了其在超大規(guī)模集成系統中的應用。

美國麻省理工學院的研究人員最近在《自然》雜志上發(fā)表了70多頁的論文，概述了他們如何克服這些限制，研制出全由CNFET構建的超硅微處理器。他們的研究得到了美國國防高級研究計劃局（DARPA）、ADI公司、美國國家科學基金會和空軍研究實驗室的支持。

這款16位微處理器基于RISC-V指令集，在16位數據和尋址上運行標準32位長指令，包含了14，000多個互補金屬氧化物半導體CNFET，并且采用行業(yè)標準的流程和工藝進行設計與制造。在論文中，他們提出的碳納米管制造方法是一整套的綜合處理和設計技術，可以克服整個晶圓襯底宏觀尺度上的納米級缺陷。

一個完整RV16X-NANO裸片的顯微圖像。處理器核心位于裸片中央，測試電路環(huán)繞在外圍（圖片來源：Nature）

超越硅，超越摩爾定律

迄今為止，半導體行業(yè)一直遵循著摩爾定律，芯片上每隔幾年就擠進更多更小的晶體管，以應對更復雜的計算。但是，終有一天硅晶體管將無法再縮小，并變得越來越低效。研究表明，相較于硅晶體管，CNFET具有10倍的能效且速率更高。但當大規(guī)模制造時，晶體管固有缺陷常會影響性能，因而其應用還不現實。

麻省理工學院的研究人員發(fā)明了一種新技術，利用傳統硅芯片制造工藝，極大地控制了碳納米管的固有缺陷，而且實現了CNFET的完整功能控制。基于RISC-V開源芯片架構的CNFET微處理器能夠準確地執(zhí)行全套指令，甚至還執(zhí)行了修訂版的經典“Hello，World！”程序，打印出這樣一條信息，“Hello， World！I am RV16XNano， made from CNTs”。（你好，世界！我是 RV16XNano，由碳納米管制成。）

“這是迄今為止由新興納米技術制成的最先進芯片，可望用于高性能和高能效的計算領域。”上述論文的作者之一Max M. Shulaker表示，他是電氣工程和計算機科學（EECS）系Emanuel E Landsman職業(yè)發(fā)展教授助理，也是微系統技術實驗室（Microsystems Technology Laboratories，MTL）的成員。他說， “硅有局限性，如果我們想繼續(xù)在計算領域取得進展，碳納米管是最有希望克服這些限制的方法之一。這篇論文徹底改變了我們采用碳納米管制造芯片的方式?！?/p>

購買現成的碳納米管，將其放在晶圓上，構建電路

這款新的碳納米微處理器是在之前的迭代設計基礎之上開發(fā)的。六年前，Shulaker和其他一些研究人員就設計了一款微處理器，由178個CNFET組成并運行在一位數據上。從那時起，Shulaker和他麻省理工學院的同事們解決了生產上的三個具體難題：材料缺陷、制造缺陷和功能問題。

多年來，碳納米管的固有缺陷一直是“該領域的禍根”，Shulaker說。理想情況下，CNFET需要半導體特性來控制其開和關的導電性，對應于位元1和位元0。不可避免地，一小部分碳納米管將呈現金屬特性，這將減慢或阻止晶體管開關。為了在這種情況下保持魯棒性（Robust，即穩(wěn)健性），高級電路將需要純度約為99.999999%的碳納米管，而這在今天幾乎是不可能生產出來的。

研究人員提出了一種名為DREAM（Designing Resiliency Against Metallic CNTs）的技術，該技術以不會干擾計算的方式對金屬碳納米管進行定位，從而將嚴格的純度要求放寬了大約四個數量級，即降低了10，000倍，這意味著只需要純度約為99.99%的碳納米管，而這是目前可實現的。

電路設計本質上是利用晶體管構成的不同邏輯門所組成的庫，對這些庫進行組合即可構建各種邏輯單元，比如加法器和乘法器等，就好像組合字母來創(chuàng)建單詞一樣。研究人員發(fā)現金屬碳納米管對邏輯門的不同組合產生不同的影響。例如，邏輯門A中的單個金屬碳納米管可能會破壞A與B之間的連接，但是邏輯門B中的多個金屬碳納米管可能不會影響A與B之間的任何連接。

在芯片設計中，電路上實現代碼的方法有很多。研究人員們通過模擬發(fā)現，所有的不同邏輯門組合，不同的組合對金屬碳納米管或具有魯棒性，或不具有魯棒性。然后，他們定制芯片設計程序，自動學習最不可能受金屬碳納米管影響的組合。在設計一顆新的芯片時，該程序將僅采用具魯棒性的組合，同時忽略易受影響的組合。

由互補碳納米管晶體管構成的RV16X-NANO 150毫米晶圓。每個晶圓包含32個裸片。

Shulaker說：“‘DREAM’是一個很有意義的雙關語，因為它就是夢想的解決方案。它使我們可以購買現成的碳納米管，將它們放到晶圓上，然后如常構建我們的電路，不需要做任何特殊的處理?！?/p>

剝離與調整

CNFET的制造始于將溶液中的碳納米管沉積到預先設計好晶體管架構的晶圓上。但是，一些碳納米管會不可避免地隨機粘在一起，形成大的束狀物（就像意大利面條串成的小球一樣），從而在芯片上形成大顆粒污染。

為了清除這種污染，研究人員們發(fā)明了RINSE方法（意思是通過選擇性剝離方式移除凝聚的碳納米管）。首先用一種試劑對晶圓進行預處理，以促進碳納米管的粘附。然后，將某種聚合物涂覆在晶圓上并把它浸入特殊溶劑中。溶劑洗刷掉了聚合物，也帶走了那些碳納米管束狀物，而單個碳納米管仍然粘在晶圓上。與類似方法相比，這種技術可以使芯片上的顆粒密度降低約250倍。

最后，研究人員還解決了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，導通為1，截止為0；“P”型晶體管與之相反。采用傳統技術用碳納米管制造這兩種類型的晶體管是比較困難的，通常會產生性能各異的晶體管。為解決這個問題，研究人員開發(fā)出一種稱為MIXED的技術（Metal interface engineering crossed with electrostatic doping，金屬表面工程與靜電摻雜交叉），該技術可精確調整并優(yōu)化晶體管功能。

采用這種技術，可以將特定金屬（如鉑或鈦）附著在每個晶體管上，從而將晶體管固定為P型或N型。然后，通過原子層沉積技術將氧化物涂覆在CNFET表面，以此來調整晶體管特性使之適用于特定的應用。例如，服務器通常需要運行速度快但耗能耗電高的晶體管，而可穿戴設備和醫(yī)療植入物則需要速率不高、低功率的晶體管。

所有這些研究的目標都是將碳納米管芯片變?yōu)楝F實。為此，研究人員已經開始將這些制造技術應用于硅芯片晶圓廠，該研究工作得到了DARPA其中一個項目的支持。雖然沒人知道完全由碳納米管制成的芯片什么時候會上市，但Shulaker認為這個時間可能不到五年。“我們認為這不再是有或無的問題，而是何時的問題，”他說。