Группа исследователей из Стэнфордского университета впервые создала процессор, в котором вместо кремния применяются углеродные нанотрубки. На его основе был собран стенд с периферией и измерительным оборудованием, работающий как демонстрационный компьютер под управлением специально написанной для него многозадачной операционной системы.

Компьютер на базе процессора из углеродных нанотрубок (фото: theverge.com)
Компьютер на базе процессора из углеродных нанотрубок (фото: theverge.com).

Постоянная работа над уменьшением размеров логических элементов в микросхемах была и до сих пор остаётся главным направлением развития полупроводниковой промышленности. Именно она лежит в основе роста производительности и повышения энергоэффективности чипов каждого нового поколения. Очевидно, это не может продолжаться до бесконечности – в силу технических причин и физических ограничений.

Вице-президент компании Intel и директор отдела технических исследований Майкл Мэйберри (Michael C. Mayberry) отмечает, что новым барьером станет техпроцесс с нормами 7 нм. Перейти на более тонкий помешают уже недостатки самого кремния. Единственный выход – использовать вместо него что-то другое.

Уже многие годы особое внимание уделяется искусственно создаваемым полупроводниковым материалам, способным заменить кремний в микросхемах. С появлением нанотехнологий углеродные нанотрубки (УНТ) стали рассматриваться в качестве одной из наиболее перспективных структур для микроэлектроники. Однако до сего дня все связанные с ними научные работы были демонстрациями единичных элементов или вовсе сугубо теоретическими выкладками.

Группе под руководством адъюнкт-профессора Субхасиша Митры (Subhasish Mitra) удалось добиться первых практических результатов. Сорок четыре года прошло между появлением первого кремниевого микротранзистора и его более совершенного аналога углеродной природы. Ещё пятнадцать лет потребовалось на доработку технологии производства УНТ и объединения разрозненных элементов из них в логическую схему – процессор, слегка превосходящий по своим возможностям уровень доказательства концепции.

Схема процессора из углеродных нанотрубок (изображение: Nature / Max M. Shulaker et al.)
Схема процессора из углеродных нанотрубок (изображение: Nature / Max M. Shulaker et al.).

Столь долгий период был обусловлен рядом сложных проблем, главной из которых стали свойства самих УНТ. Формально углеродная нанотрубка – полупроводник, но в реальном макрообразце всегда получается примесь нанотрубок со свойствами проводника. К тому же в процессе их производства крайне трудно добиться отсутствия боковых ветвлений и упорядоченного расположения, однородности их размеров и структуры. Нарушения взаимной ориентации создают паразитные соединения, а длина и структура прямо влияют на физические свойства.

Коллектив из Стэнфордского университета решил временно пожертвовать размером транзисторов ради проверки самой идеи создания процессора из УНТ. Для эксперимента были выбраны нанотрубоки диаметром около десяти нанометров. Такой размер сопоставим с разрешающей способностью современного оборудования для фотолитографии, однако при прочих равных УНТ обладают большей подвижностью электронов, обеспечивая лучшую энергоэффективность.

Для повышения однородности образца и сохранения упорядоченности расположения нанотрубки выращивали на подложке из кварца. Затем на место каждого будущего транзистора поместили их смесь, содержащую сотни углеродных нанотрубок со свойствами проводника и полупроводника. Далее дефектные УНТ, обладающие слишком высокой электропроводностью, выжигали током определённой силы, величина которой подбиралась эмпирически. Ведущий автор исследования Макс Шулакер (Max M. Shulaker) так прокомментировал этот процесс изданию The Verge:

Мы проделали огромную работу по переориентированию всех нанотрубок и удалению дефектных. Ведь даже чистоты в 98% было бы недостаточно для успеха. Когда в чипе будут миллионы транзисторов, два процента дефектных УНТ станут серьёзной проблемой.

Достигнутая таким образом степень чистоты образца УНТ была оценена в 99,5%. Негативное влияние оставшихся единичных дефектных нанотрубок устранили за счёт адаптации программного алгоритма. В конечном итоге каждый логический элемент был сформирован из 10–200 нанотрубок, обладавших только нужными свойствами. Из таких отдельных элементов удалось собрать микропроцессор, состоящий из ста семидесяти восьми транзисторов.

Большую часть занимает блок инструкций (изображение: Nature / Max M. Shulaker et al.)
Большую часть занимает блок инструкций (изображение: Nature / Max M. Shulaker et al.).

Рассуждая о дальнейших перспективах, Макс Шулакер отметил, что серийно выпускаемые чипы будут содержать на порядки больше транзисторов, но масштабирование станет чрезвычайно сложной задачей:

Не стоит ожидать, что число транзисторов будет наращиваться тем же способом. Однако наша работа указывает на реальную возможность конкуренции УНТ с кремнием.

В качестве демонстрации многозадачности на созданном процессоре одновременно выполнялись подсчёт и сортировка целых чисел. Критерий полноты по Тьюрингу (возможность реализовать любую вычислимую функцию) был показан на примере работы логической функции SUBNEG. Она считывает значение по одному адресу, вычитает его из числа, хранящегося по другому адресу, и записывает результат операции. Если он получился отрицательным, то процедура повторяется для числа из третьего адреса.

Алгоритм работы функции SUBNEG и его реализация на процессоре из УНТ (изображение: Nature / Max M. Shulaker et al.)
Алгоритм работы функции SUBNEG и его реализация на процессоре из УНТ (изображение: Nature / Max M. Shulaker et al.).

Конечно, пока разработанный процессор из углеродных нанотрубок – это всего лишь демонстрационный образец. Его тактовая частота составляет 1 кГц. Он не поддерживает современные наборы инструкций (вместо них реализовано только 20 базовых инструкций MIPS для выполнения целочисленных операций) и выполняет лишь одну логическую команду за такт, но сам факт создания такой микросхемы – уже огромный шаг вперед.