RV16X-NANO — первый 16-разрядный процессор на углеродных нанотрубках

Инженеры из Массачусетского технологического института и специалисты известной компании Analog Devices совместными усилиями создали первый полностью программируемый 16-разрядный микропроцессор на углеродных нанотрубках. Схема этого процессора, содержащая почти 15 тысяч транзисторов, является самым сложным на сегодняшний день воплощением «нанотрубочной» CMOS-логики, а сделано это все было при помощи коммерческих технологий, используемых для производства кремниевой электроники. Процессор, получивший название RV16X-NANO, со слов его создателей, является большой вехой на пути развития альтернативных видов электроники.

Напомним нашим читателям, что исследователи, некоторые из которых принимали участие в последней работе, в 2013 году создали самый первый нанотрубочный процессор, который содержал 178 транзисторов и был способен выполнять однобитовые логические операции. Новый процессор RV16X-NANO уже основан на открытом наборе команд RISC-V, он способен работать с 16-битными данными и выполнять 32-битные инструкции. Первой программой, которая была выполнена на процессоре RV16X-NANO, стала незабвенная программа «Hello, World!», диаграмма выполнения которой представлена на одном из рисунков ниже.

«Десять лет назад мы только могли надеяться, что такое возможно» — пишут исследователи, — «Теперь мы можем утверждать, что это реально возможно, и, более того, нанотрубочные чипы могут быть сделаны при помощи современного технологического оборудования».

Для создания процессора RV16X-NANO исследователям из Массачусетского технологического института, компании Analog Devices и производственной компании Skywater Technology Foundry пришлось разработать и испытать три совершенно новые технологии. Первые две технологии призваны решить проблему чистоты и однородности используемых углеродных нанотрубок, а третья технология имеет отношение к созданию из нанотрубок транзисторов n-типа и p-типа, которые необходимы для формирования функционирования логических схем.

Первой технологией стала технология нанесения нанотрубок на поверхность кремниевой подложки, работа которой использует тот факт, что силы Ван-дер-Ваальса удерживают отдельные нанотрубки у поверхности сильнее, чем их нежелательные скопления, которые могут испортить весь процесс. Основание покрывается слоем фоторезиста, который формирует маску для правильного распределения нанотрубок, которые осаждаются из специального раствора под названием RINSE. Затем этот фоторезист смывается при строго определенных условиях, и это удаляет все скопления и отдельные нанотрубки занявшие неправильное положение.

Вторая технология, тонкости которой по понятным причинам содержатся в тайне, имеет отношение к чистоте нанотрубок, которые вводятся в раствор RINSE. Во время производства углеродных нанотрубок эти нанотрубки получаются двух типов — металлические и полупроводящие. Если в создаваемую схему попадут нанотрубки с металлическими свойствами, то эта схема будет потреблять большее количество энергии, а циркулирующие в ней сигналы будут иметь высокий уровень шумов. Наилучшие коммерческие технологии производят нанотрубки с 99.99-процентной чистотой, это означает, что в смеси нанотрубок все же находятся «металлические» нанотрубки в количестве 0.01 процента. А для производства нанотрубочной электроники требуется смесь с чистотой не менее 99.999999 процента, что находится далеко за возможностями современных технологий.

Проблема чистоты нанотрубок была решена не путем чистки смеси от нежелательных компонентов, а путем проектирования электронных цепей такой конфигурации, которые не зависят от чистоты нанотрубок и позволяет использовать смеси, которые можно приобрести на рынке. На базе таких цепей был построен набор логических элементов DREAM, компонентов, которые стали фундаментальными блоками микропроцессора RV16X-NANO.

И, как упоминалось выше, третьей технологией стала технология изготовления из нанотрубок транзисторов разных типов — NMOS и PMOS. В технологии MIXED используются диэлектрические материалы из некоторых оксидов, в том числе диоксида гафния. Подбор точного состава материала диэлектриков и использование технологии смещения атомарных слоев, позволило добиться того, что диэлектрик или «жертвует» свои электроны углеродной нанотрубки, или, наоборот «крадет» их у нее, меняя ее тип на n- или p-тип.

Кардинальным отличием процесс производства MIXED является то, что он проводится при низкой температуре, что позволяет создавать транзисторы разных типов поверх уже готовых участков схемы, не нарушая их целостности. Фактически в процессоре RV16X-NANO все транзисторы были «построены» поверх слоя соединительных проводников, которые подводят к транзисторам энергию, и второго слоя проводников, которые связывают транзисторы в единую электрическую схему. Такой подход позволяет освободить массу пространства чипа, что в свою очередь, позволяет плотнее упаковать компоненты и создать системы меньшего размера. Отметим, что такой подход практически невозможно реализовать при производстве кремниевой электроники из-за высоких температур, используемых при обработке материала чипов.