První programovatelný procesor z uhlíkových nanotrubic je na světě. Přináší technologie s trojrozměrnou konstrukcí

Vědci z Analog Devices a MIT představili první programovatelný procesor, který je vyroben pomocí uhlíkových nanotrubic. Jedná se o velký skok z pohledu technologie i architektury a otevírá to nové možnosti, kam se může posouvat vylepšování čipů, které používáme v elektronických zařízeních.

Uhlíkové nanotrubice jsou vytvořené z uhlíku a pyšní se mnoha výjimečnými vlastnostmi. V rámci jejich rozměrů, které jsou v průměru od 1 nm až 100 nm poskytují výborné vodivé vlastnosti s minimálním odporem. A právě to je důležité v elektronice, obzvláště se současnou miniaturizací. Uhlíkové nanotrubice použité pro stavbu procesoru mají ale i další výhody.

RV16X-NANO: milník s architekturou RISC-V

Nový procesor z uhlíkových nanotrubic nese označení RV16X-NANO a jedná se o 16bitový čip (zpracuje 16bitová data a 32bitové instrukce) s logikou CMOS, který je tvořen celkem 15 tisíci tranzistory. Vědci při jeho vývoji vsadili už na novou open source architekturu RISC-V, od které se do budoucna čeká velká revoluce v čipech z pohledu byznysu a licencí, protože je zcela zdarma. Například ARM funguje na bázi licenčních poplatků a je to pro něj přímá hrozba.

Detail struktury čipu z uhlíkových nanotrubic | Zdroj: MIT

Procesor je oproti minulým pokusům velkým skokem vpřed, protože v roce 2013 vědci dokázali vyrobit z uhlíkových nanotrubic pouze jednobitový čip s 178 tranzistory.

Technologie uhlíkových nanotrubic přináší mnohem snazší výrobu vícevrstvých konstrukcí a propojení, což je důležité do budoucna. Je to navíc i vlastnost, díky které by mohl výkon čipů z uhlíkových nanotrubic velmi rychle dohnat a rovněž předehnat současné čipy vyrobené z křemíku.

Výzvy při výrobě

Aby se vědcům podařilo tento čip vyrobit, čekalo je několik těžkých úkolů. Prvním bylo rovnoměrné rozložení uhlákových nanotrubic na křemíkovém waferu. Aby bylo možné vytvořit tranzistory, nesměly nikde vznikat shluky nanotrubic. To se podařilo vyřešit pomocí nástřiku nanotrubic speciální fotorezistivní sloučeninou, která byla posléze očištěna a vzala s sebou i nechtěné shluky nanotrubic.

Dalším problémem byla čistota uhlíkových nanotrubic, protože tranzistory z uhlíkových nanotrubic jsou ve formě kovu a polovodičů. Pro použití v logických branách je ale nutné používat pouze polovodičový druh. V rámci běžné komerční výroby lze získat polovodičové uhlíkové nanotrubice s čistotou 99,99 % a zbylých 0,01 pak tvoří zmíněné kovové formy. Aby bylo možné vyrobit funkční procesor typu RV16X-NANO, musela by se čistota pohybovat v řádu 99,999999 %. Aby vědci obešli tento problém, přizpůsobili architekturu logických bran tak, aby se snížil šum signálu vytvořený zmíněnou nečistotou.

Třetím průlomem, který umožnil stavbu takového čipu, byla efektivní výroba dvou typů tranzistorů pro CMOS logiku – NMOS a PMOS tranzistorů. Řešením bylo elektrostatické obohacování nanotrubic.

Na trhu do pěti let

Cílem jsou nejen další optimalizace, ale především přechod na hromadnou výrobu. S tím teď týmu pomáhá i program od americké DARPA, díky kterému mají přístup ke klasické lince na výrobu křemíkových čipů.

Současný prototyp podporuje řadu instrukcí a zvládne zpracovat základní program Hello World. Samotný návrh procesoru a výrobní metodologie má aktuálně přes 70 stránek.  Podle odhadů vědců se prvních procesorů z uhlíkových nanotrubic, které budou v prodeji, dočkáme do pět let.

Zdroj: VTM