Os engenheiros do MIT constroem microprocessadores avançados a partir de nanotubos de carbono.
A nova abordagem usa os mesmos processos de fabricação que os chips de silício e fornece avanços significativos no desenvolvimento de computadores da próxima geração.
Após anos enfrentando muitos desafios de desenvolvimento e fabricação, os pesquisadores do MIT desenvolveram um microprocessador de transistor de nanotubo de carbono de ponta que é amplamente considerado como uma alternativa mais rápida e ecológica aos seus equivalentes tradicionais de silício.
O microprocessador, descrito hoje na revista Nature, pode ser fabricado usando técnicas convencionais de fabricação de chips de silício e representa um passo importante para uma aplicação mais prática dos microprocessadores de nanotubos de carbono.
Os transistores de silício - componentes críticos do microprocessador que alternam entre 1 e 0 bits para realizar cálculos - foram estabelecidos na indústria de computadores há décadas. Conforme previsto pela Lei de Moore, a cada poucos anos a indústria tem sido capaz de reduzir o tamanho dos transistores e colocar mais chips no local para fazer cálculos cada vez mais complexos. Mas os especialistas estão prevendo um tempo em que os transistores de silício não encolherão mais e se tornarão cada vez mais ineficazes.
A fabricação de transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono (CNFETs) tornou-se um objetivo importante na construção de computadores da próxima geração. Pesquisas mostram que os CNFETs têm propriedades que prometem eficiência energética dobrada 10 e velocidades muito mais altas em comparação com o silício. Mas se os transistores são fabricados em pequena escala, eles geralmente apresentam muitas deficiências que afetam o desempenho, portanto, não são práticos.
Um close-up de um microprocessador moderno feito de transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono. Agradecimentos - Imagem: Felice Frankel, MIT
Os pesquisadores do MIT desenvolveram novas técnicas para reduzir drasticamente os defeitos e permitir o controle completo sobre a função de fabricar CNFETs usando processos nas fundições tradicionais de chips de silício. Eles demonstraram um microprocessador 16-bit com mais de CNFETs 14.000, que executa as mesmas tarefas que os microprocessadores comerciais. O Nature Paper descreve o design do microprocessador e inclui mais de páginas 70 que descrevem o método de fabricação.
O microprocessador é baseado na arquitetura de chip de código aberto RISC-V, que contém uma série de instruções que um microprocessador pode executar. O microprocessador dos pesquisadores foi capaz de executar com precisão todo o conjunto de instruções. Uma versão modificada do programa clássico "Hello, World!" Que foi impresso, "Hello, World!" Sou o RV16XNano, feito de CNTs. "
"Este é de longe o chip mais avançado de uma nanotecnologia incipiente que é uma grande promessa para computação de alto desempenho e eficiência energética", disse o co-autor Max M. Shulaker, professor assistente de desenvolvimento de carreira de Emanuel E Landsman em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e Membro dos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas. “Existem limites para o silício. Se quisermos continuar avançando na computação, os nanotubos de carbono representam uma das maneiras mais promissoras de ultrapassar esses limites.
Juntamente com Shulaker, as seguintes pessoas trabalham no projeto: primeiro autor e pós-doutorado Gage Hills, estudantes de graduação Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho e Aya Amer, todos da EECS; Arvind, Johnson Professor de Ciência da Computação e Engenharia e Pesquisador no Laboratório de Informática e Inteligência Artificial; Anantha Chandrakasan, diretora da Escola de Engenharia e Vannevar Bush, professora de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação; e Samuel Fuller, Yosi Stein e Denis Murphy, todos dispositivos analógicos.
Os engenheiros do MIT construíram um microprocessador moderno a partir de transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono (na foto), que são considerados mais rápidos e mais ecologicamente corretos do que os transistores de silício. A nova abordagem usa os mesmos processos de fabricação dos chips de silício. Agradecimentos - Imagem: Felice Frankel, MIT
Combatendo a "maldição" dos CNFETs
O microprocessador baseia-se em uma simulação anterior desenvolvida por Shulaker e outros pesquisadores há seis anos, que possuíam apenas CNFETs 178 e executavam um único bit de dados. Desde então, Shulaker e seus colegas do MIT abordaram três questões específicas na fabricação de dispositivos: defeitos de material, defeitos de fabricação e problemas funcionais. Hills assumiu a maior parte do projeto do microprocessador, enquanto Lau assumiu a maior parte da fabricação.
Por anos, a falha inerente aos nanotubos de carbono foi uma “maldição do campo”, diz Shulaker. Idealmente, os CNFETs precisam de propriedades semicondutoras para ligar e desligar sua condutividade de acordo com os bits 1 e 0, mas inevitavelmente uma pequena porção dos nanotubos de carbono será metálica e diminuirá ou interromperá o transistor. Para serem resistentes a essas falhas, os circuitos modernos exigem nanotubos de carbono com pureza em torno de 99,999999 por cento, o que é praticamente impossível de fabricar hoje.
Os pesquisadores desenvolveram uma técnica chamada DREAM (sigla para “Design Resiliency against Metallic CNTs”), que posiciona os CNFETs metálicos de forma que não interfiram no processamento de dados. Ao fazer isso, eles relaxaram esses requisitos de pureza estritos em cerca de quatro ordens de magnitude - ou 10.000 vezes - o que significa que eles só precisam de nanotubos de carbono com uma pureza de cerca de 99,99 por cento, o que é atualmente possível.
O projeto de circuitos requer basicamente uma variedade de portas lógicas diferentes conectadas a transistores que podem ser combinadas para criar somadores e multiplicadores, por exemplo - como combinar letras no alfabeto para criar palavras. Os pesquisadores descobriram que os nanotubos de carbono metálico afetam diferentes pares dessas portas de maneira diferente. Por exemplo, um único nanotubo de carbono metálico na porta A pode quebrar a conexão entre A e B. No entanto, vários nanotubos de carbono metálico no Gate B não podem interferir em nenhuma de suas conexões.
No design de chips, existem muitas maneiras de implementar código em um circuito. Os pesquisadores realizaram simulações para encontrar todas as diferentes combinações de portas que são resistentes e resistentes aos nanotubos de carbono metálicos. Eles então adaptaram um programa de design de chips para determinar automaticamente as combinações menos afetadas pelos nanotubos de carbono metálico. Ao projetar um novo chip, o programa usa apenas as combinações robustas e ignora as combinações vulneráveis.
“O jogo de palavras 'sonhar' é totalmente intencional porque é a solução dos sonhos”, diz Shulaker. "Isso nos permite comprar nanotubos de carbono da prateleira, jogá-los em um wafer e simplesmente configurar nosso circuito como de costume, sem fazer mais nada."
Esfoliação e afinação
A produção de CNFET começa com a aplicação de nanotubos de carbono em uma solução para um wafer com arquiteturas de transistor pré-fabricadas. No entanto, alguns nanotubos de carbono inevitavelmente se unem aleatoriamente para formar grandes pilhas - como fios de espaguete em pequenas esferas - que criam uma grande contaminação por partículas no chip.
Para erradicar essa contaminação, os pesquisadores criaram o RINSE (para “Remoção de Nanotubos Incubados por Esfoliação Seletiva”). O wafer é pré-tratado com um preparado que promove a adesão de nanotubos de carbono. O wafer é então revestido com um polímero específico e imerso em um solvente especial. Isso lava o polímero, que apenas carrega os grandes feixes enquanto os nanotubos de carbono individuais grudam na bolacha. A técnica leva a uma redução de aproximadamente 250 vezes na densidade das partículas no chip em comparação com métodos semelhantes.
Finalmente, os pesquisadores analisaram problemas funcionais comuns com CNFETs. Dois tipos de transistores são necessários para a computação binária: tipos "N", que ligam com um bit 1 e desligam com um bit 0, e tipos "P", que têm o efeito oposto. Tradicionalmente, era difícil fabricar os dois tipos a partir de nanotubos de carbono, o que geralmente resultava em transistores com diferentes níveis de desempenho. Para essa solução, os pesquisadores desenvolveram uma técnica chamada MIXED (para "Engenharia de Interface de Metal cruzada com dopagem eletrostática"), que ajusta com precisão os transistores para função e otimização.
Nesta técnica, eles ligam certos metais a cada transistor - platina ou titânio - o que lhes permite fixar aquele transistor como P ou N. Em seguida, eles revestem os CNFETs em um composto de óxido por deposição de camada atômica, o que os permite ajustar as propriedades dos transistores para aplicações específicas. Por exemplo, os servidores geralmente precisam de transistores que funcionem muito rapidamente, mas ao mesmo tempo carreguem energia e desempenho. Os wearables e os implantes médicos, por outro lado, podem usar transistores mais lentos e de baixa potência.
O objetivo principal é colocar as fichas no mundo real. Para tanto, os pesquisadores já começaram a implementar suas técnicas de fabricação em uma fundição de chips de silício por meio de um programa da Defense Advanced Research Projects Agency, que apóia a pesquisa. Embora ninguém possa dizer quando os chips feitos inteiramente de nanotubos de carbono chegarão às prateleiras, Shulaker diz que pode demorar menos de cinco anos. “Achamos que não se trata mais de se, mas de quando”, diz ele.
O trabalho também foi apoiado pela Analog Devices, pela National Science Foundation e pelo Air Force Research Laboratory.
Artigo: MIT / ISE, imagem: Felice Frankel, MIT
