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.

Схема инвертора, состоящего из двух транзисторов на углеродных нанотрубках
Схема инвертора, состоящего из двух транзисторов на углеродных нанотрубках

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.»:

Сигналы (бинарные колебания), кодирующие послание Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs. Первые 32 дорожки — это набор инструкций, считанный из памяти, следующие 16 дорожек — это счетчик команд, а последние восемь дорожек — это символы, которые внизу подписаны в шестнадцатеричной системе счисления и латинскими буквами
Сигналы (бинарные колебания), кодирующие послание Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs. Первые 32 дорожки — это набор инструкций, считанный из памяти, следующие 16 дорожек — это счетчик команд, а последние восемь дорожек — это символы, которые внизу подписаны в шестнадцатеричной системе счисления и латинскими буквами

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.