Из углеродных нанотрубок построили 16-битный процессор

Американские ученые создали 16-битный микропроцессор, состоящий из почти 15 тысяч КМОП-транзисторов, основанных на углеродных нанотрубках. Этого удалось достичь благодаря новому методу создания монослоя из нанотрубок и другим технологиям. Разработчики продемонстрировали работоспособность процессора, запустив на нем все типы инструкций архитектуры RISC-V и выполнив программу, выводящую слова «Hello, World!». Статья опубликована в Nature.

Основной способ повышения эффективности и мощности процессоров заключается в миниатюризации технологического процесса их производства. На сегодняшний день существуют серийные процессоры, производимые по 7-нанометровому техпроцессу, и опытное производство по 5-нанометровому. Однако дальнейшая миниатюризация становится все более сложной и менее выгодной, поэтому ученые предлагают заменить кремний в чипах на другие материалы.

Одним из самых перспективных материалов для транзисторов считаются углеродные нанотрубки, имеющие небольшой размер (1-2 нанометра в диаметре) и высокую подвижность носителей заряда. На основе нанотрубок уже были созданы транзисторы, причем обходящие по некоторым характеристикам кремниевые, а в 2013 году группа ученых из Стэнфордского университета под руководством Макса Шулакера (Max Shulaker) создала первый микропроцессор с транзисторами на углеродных нанотрубках.

Несмотря на важность этой разработки, процессор содержал всего 178 транзисторов и имел крайне ограниченные возможности. Кроме того, процессы создания таких чипов пока неэффективны и не подходят для массового производства процессоров с конкурентными характеристиками. В новой работе группа Макса Шулакера из Массачусетского технологического университета решила часть проблем при производстве транзисторов на углеродных нанотрубках и в качестве демонстрации создала полноценный процессор, содержащий 14702 транзистора.

Ученые научились бороться с агрегацией нанотрубок в большие скопления после их напыления на подложку. Для этого они предложили наносить на поверхность слоя нанотрубок небольшой объем фоторезиста, отверждать его с помощью облучения. После этого скопления удаляются с помощью ультразвука, а монослой нанотрубок остается благодаря сдерживающему его слою фоторезиста.

Еще одна проблема при создании больших чипов с транзисторами на углеродных нанотрубках заключается в том, что они должны состоять из полупроводниковых нанотрубок и в общем случае содержать не более 0,000001 процента металлических нанотрубок. Однако требование к чистоте материала различаются в зависимости от того, как реализованы логические элементы в чипе. Авторы научились использовать комплекс автоматизации проектирования электронных устройств таким образом, чтобы автоматически менять реализацию логики чипа с учетом влияния доли металлических нанотрубок на элементы, не меняя при этом его функции.

Авторы статьи создали процессор, состоящий из инверторов, каждый из которых состоит из двух транзисторов с p- или n-каналом из углеродных нанотрубок. Работа инверторов основана на том, что они выдают в ответ на высокое входное напряжение низкое выходное или наоборот. Созданный авторами процессор основан на открытой архитектуре RISC-V. В нем используется полноценный 32-битный набор команд RV32E, но разрядность тракта данных снижена с 32 до 16 бит, а количество регистров — с 16 до 4.

Авторы продемонстрировали работоспособность чипа, выполнив всю 31 инструкцию из набора команд RV32E. Кроме того, они написали программу, позволяющую выводить последовательность шестнадцатеричных символов, кодирующих слова «Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.»:

Ученые, работающие в области вычислительных устройств, создают не только новые материалы для процессоров, но и новые архитектуры. Например, недавно китайские ученые создали новый нейроморфный процессор, имитирующий работу нейронов на аппаратном уровне с помощью искусственных аналогов синапса, аксона и дендрита. Главное отличие этого процессора от других нейроморфных чипов заключается в возможности работы в гибридном режиме, в котором часть ядер работают в режиме классической искусственной нейросети, а часть — в режиме импульсной, имитирующей работу настоящих нейросетей в мозге животных.

Григорий Копиев