Компьютер на основе углеродных нанотрубок

Компьютер с использованием транзисторов на основе углеродных нанотрубок

Компьютеры на углеродных нанотрубках представляют собой класс экспериментальных вычислительных процессоров, построенных на основе полевых транзисторов на углеродных нанотрубках , а не на основе обычных полевых транзисторов на основе кремния .

В полевом транзисторе на основе углеродной нанотрубки (CNTFET) канал проводимости изготовлен из углеродных нанотрубок , а не из легированного кремния. Теоретически CNTFET более эффективны, чем кремниевые полевые транзисторы: CNFET требуют меньше энергии для включения и выключения , а наклон между состояниями включения/выключения круче. Эти факторы способствуют получению продукта задержки энергии ( показатель энергоэффективности ), который на порядок лучше, чем у транзисторов на основе кремния. ^[1] Более того, углерод является отличным проводником тепла, и поэтому транзисторы на основе углерода могут рассеивать тепло гораздо быстрее, чем транзисторы на основе кремния. Этот фактор в сочетании с лучшей устойчивостью к нагреву теоретически может позволить более плотно упаковывать транзисторы на основе углеродной нанотрубки, ^[2] что, в свою очередь, может снизить материальные и электрические потери.

Эти характеристики предполагают, что углеродные нанотрубки являются потенциальной заменой кремния в отношении CNTFET и логических схем. Но CNTFET не могут (пока) производиться массово, и, следовательно, процессоры на основе углеродных нанотрубок не могут ни того, ни другого, и в настоящее время оба ограничены исследовательскими центрами, где они собираются вручную. Первый компьютер на основе углеродных нанотрубок был построен в 2013 году Максом Шулакером и его коллегами в Стэнфордском университете . ^[3] Этот однобитный процессор, названный Cedric, работал на частоте 1 кГц и содержал всего 178 транзисторов. С тех пор многие исследовательские группы создавали все более сложные процессоры с CNTFET. В 2019 году группа инженеров из Массачусетского технологического института и Analog Devices создала программируемый 16-битный процессор с ~15 000 транзисторами, названный RV16X-NANO. ^[4]

Основные вехи

Седрик

Углеродные нанотрубки сложно точно расположить на подложке, но в 2012 году исследователи IBM обнаружили, что углеродные нанотрубки можно заставить химически самоорганизовываться в структурированные массивы, в которых нанотрубки прикрепляются к некоторым участкам поверхности, оставляя другие участки нетронутыми.

В 2013 году группа исследователей из Стэнфордского университета усовершенствовала технологию, открытую в IBM, так что смещенные нанотрубки можно было разрушить на пластине, оставив нетронутыми только выровненные. Чтобы разрушить смещенные нанотрубки, исследователи подвергли их высокому напряжению, которое испаряло их. ^[5] Исследователи использовали тот же метод для устранения транзисторов, в которых углеродные нанотрубки были непереключаемыми проводниками (поэтому их прозвали «металлическими» нанотрубками).

Исследователи применили эти усовершенствования к пластине с 197 транзисторами на основе углеродных нанотрубок размером 8 микрометров (8000 нанометров) на подложке из оксида кремния, оставив 178 пригодных для использования транзисторов. С их помощью исследователи создали однобитный, одноинструкционный , полный по Тьюрингу процессор. ^[1] Названный «Седрик», единственной операцией, которую мог выполнять компьютер, была SUBNEG, сокращение от «вычитание и переход, если отрицательное». С помощью SUBNEG Седрик мог подсчитывать и сортировать целые числа, ^[3]^[6]^[7] и мог переключаться между режимами сортировки и подсчета. ^[1]

RV16XНано

В 2019 году группа ученых из Массачусетского технологического института в сотрудничестве с инженерами Analog Devices создала 16-битный программируемый процессор с почти 15 000 транзисторов на основе углеродных нанотрубок. ^[8] Названный RV16XNano, процессор реализовал значительную часть 32-битного набора инструкций RISC-V ^[9] и был способен выполнять программу «Hello, World!» , которая гласила: «Hello, world! Я RV16XNano, сделанный из УНТ». ^[4]

Ссылки

^ abc Шулакер, Макс М.; Хиллс, Гейдж; Патил, Нишант; Вэй, Хай; Чен, Хонг-Ю; Вонг, Х.-С. Филипп; Митра, Субхасиш (2013). «Компьютер на углеродных нанотрубках». Nature . 501 (7468): 526– 530. Bibcode :2013Natur.501..526S. doi :10.1038/nature12502. PMID 24067711. S2CID 205235321.
^ Мур, Сэмюэл К. (14 декабря 2020 г.). «Уменьшенные транзисторы на основе углеродных нанотрубок приближаются к возможностям кремния. Решение проблемы диэлектрика затвора упрощает выключение устройств». IEEE Spectrum . Получено 7 июля 2022 г.
^ ab Markoff, John (26 сентября 2013 г.). «Исследователи построили работающий компьютер на основе углеродных нанотрубок». New York Times . Получено 26 сентября 2013 г.
^ ab Gibney, Elizabeth (28 августа 2019 г.). «Самый большой чип из углеродных нанотрубок говорит: «Привет, мир!»". Новости природы . doi :10.1038/d41586-019-02576-7. PMID 32848234. S2CID 203021651.
^ Морган, Джеймс (26 сентября 2013 г.). «Представлен первый компьютер из углеродных нанотрубок». BBC . Получено 26 сентября 2013 г.
^ Ким, Мири (26 сентября 2013 г.). «Ученые создали первый компьютер на основе углеродных нанотрубок». Washington Post . Получено 26 сентября 2013 г.
^ Кортленд, Рэйчел (25 сентября 2013 г.). «Дебют первого компьютера из углеродных нанотрубок». IEEE Spectrum . Получено 19 сентября 2019 г.
^ Мур, Сэмюэл К. (28 августа 2019 г.). «Микропроцессор на основе углеродных нанотрубок достаточно зрел, чтобы сказать «привет»». IEEE Spectrum . Получено 19 сентября 2019 г.
^ Шулакер, Макс М.; Чандракасан, Ананта; Мерфи, Денис; Стайн, Йоси; Амер, Ая; Канхайя, Притпал; Шримани, Татхагата; Бишоп, Минди Д.; Фуллер, Сэмюэл; Райт, Эндрю; Лау, Кристиан; Хиллс, Гейдж (2019). «Современный микропроцессор, построенный из комплементарных транзисторов из углеродных нанотрубок». Nature . 572 (7771): 595– 602. Bibcode :2019Natur.572..595H. doi :10.1038/s41586-019-1493-8. ISSN 1476-4687. PMID 31462796. S2CID 201658375.

[Shulaker_2013-1] Шулакер, Макс М.; Хиллс, Гейдж; Патил, Нишант; Вэй, Хай; Чен, Хонг-Ю; Вонг, Х.-С. Филипп; Митра, Субхасиш (2013). «Компьютер на углеродных нанотрубках». Nature . 501 (7468): 526– 530. Bibcode :2013Natur.501..526S. doi :10.1038/nature12502. PMID 24067711. S2CID 205235321.

[Moore_2020-2] Мур, Сэмюэл К. (14 декабря 2020 г.). «Уменьшенные транзисторы на основе углеродных нанотрубок приближаются к возможностям кремния. Решение проблемы диэлектрика затвора упрощает выключение устройств». IEEE Spectrum . Получено 7 июля 2022 г.

[Markoff_2013-3] Markoff, John (26 сентября 2013 г.). «Исследователи построили работающий компьютер на основе углеродных нанотрубок». New York Times . Получено 26 сентября 2013 г.

[Gibney_2019-4] Gibney, Elizabeth (28 августа 2019 г.). «Самый большой чип из углеродных нанотрубок говорит: «Привет, мир!»". Новости природы . doi :10.1038/d41586-019-02576-7. PMID 32848234. S2CID 203021651.

[Morgan_2013-5] Морган, Джеймс (26 сентября 2013 г.). «Представлен первый компьютер из углеродных нанотрубок». BBC . Получено 26 сентября 2013 г.

[Kim_2013-6] Ким, Мири (26 сентября 2013 г.). «Ученые создали первый компьютер на основе углеродных нанотрубок». Washington Post . Получено 26 сентября 2013 г.

[Courtland_2013-7] Кортленд, Рэйчел (25 сентября 2013 г.). «Дебют первого компьютера из углеродных нанотрубок». IEEE Spectrum . Получено 19 сентября 2019 г.

[Moore_2019-8] Мур, Сэмюэл К. (28 августа 2019 г.). «Микропроцессор на основе углеродных нанотрубок достаточно зрел, чтобы сказать «привет»». IEEE Spectrum . Получено 19 сентября 2019 г.

[Shulaker_2019-9] Шулакер, Макс М.; Чандракасан, Ананта; Мерфи, Денис; Стайн, Йоси; Амер, Ая; Канхайя, Притпал; Шримани, Татхагата; Бишоп, Минди Д.; Фуллер, Сэмюэл; Райт, Эндрю; Лау, Кристиан; Хиллс, Гейдж (2019). «Современный микропроцессор, построенный из комплементарных транзисторов из углеродных нанотрубок». Nature . 572 (7771): 595– 602. Bibcode :2019Natur.572..595H. doi :10.1038/s41586-019-1493-8. ISSN 1476-4687. PMID 31462796. S2CID 201658375.