Компьютер на углеродных нанотрубках

Компьютеры на углеродных нанотрубках — это класс экспериментальных вычислительных процессоров , построенных на полевых транзисторах на основе углеродных нанотрубок вместо обычных полевых транзисторов на основе кремния .

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

Эти характеристики позволяют предположить, что углеродные нанотрубки являются потенциальной заменой кремния в отношении CNTFET и логических схем. Но CNTFET не могут (пока) производиться массово, и поэтому процессоры углеродных нанотрубок тоже не могут, и оба в настоящее время ограничены исследовательскими центрами, где их собирают вручную. Первый компьютер на основе углеродных нанотрубок был построен в 2013 году Максом Шулакером и его коллегами из Стэнфордского университета . ^[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 на CNTFET. В 2019 году команда инженеров Массачусетского технологического института и аналоговых устройств создала программируемый 16-битный процессор с ~15 000 транзисторов под названием 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 самособираться в узорчатые массивы, в которых нанотрубки прилипают к некоторым участкам поверхности, оставляя другие области нетронутыми.

В 2013 году группа исследователей из Стэнфордского университета усовершенствовала метод, открытый в IBM, таким образом, что смещенные нанотрубки можно было уничтожить на пластине, оставив неповрежденными только выровненные. Чтобы разрушить смещенные нанотрубки, исследователи подвергли их воздействию высокого напряжения, 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 со 197 транзисторами на основе углеродных нанотрубок толщиной 8 микрометров (8000 нанометров) на подложке из оксида кремния, в результате чего осталось 178 пригодных для использования транзисторов. С их помощью исследователи создали однобитный процессор с одной инструкцией , полный по Тьюрингу . ^[1] Единственной операцией, которую мог выполнить компьютер под названием «Седрик», была SUBNEG, сокращение от «вычитание и ветвление в случае отрицательного результата». С помощью SUBNEG Седрик мог считать и сортировать целые числа. ^[3]^[6]^[7] и мог переключаться между режимами сортировки и подсчета. ^[1]

RV16XNano

В 2019 году команда Массачусетского технологического института в сотрудничестве с инженерами Analog Devices создала 16-битный программируемый процессор с почти 15 000 транзисторами из углеродных нанотрубок. ^[8] Процессор под названием RV16XNano реализовал значительную часть 32-битного RISC-V. набора команд ^[9] и смог выполнить команду «Hello, World!» программа , в которой говорилось: «Привет, мир! Я RV16XNano, сделан из УНТ». ^[4]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Шулакер, Макс М.; Хиллз, Гейдж; Патил, Нишант; Вэй, Хай; Чен, Хун-Ю; Вонг, Х.-С. Филипп; Митра, Субхасиш (2013). «Компьютер на углеродных нанотрубках». Природа . 501 (7468): 526–530. Бибкод : 2013Natur.501..526S . дои : 10.1038/nature12502 . ПМИД 24067711 . S2CID 205235321 .
^ Мур, Сэмюэл К. (14 декабря 2020 г.). «Уменьшенные по своим возможностям транзисторы из углеродных нанотрубок стали на шаг ближе к кремниевым. Решение проблемы диэлектрика затвора облегчает выключение устройств» . IEEE-спектр . Проверено 7 июля 2022 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Маркофф, Джон (26 сентября 2013 г.). «Исследователи создают работающий компьютер из углеродных нанотрубок» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 26 сентября 2013 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Гибни, Элизабет (28 августа 2019 г.). «Самый большой чип из углеродных нанотрубок говорит: «Привет, мир!» ". Новости природы . дои : 10.1038/d41586-019-02576-7 . ПМИД 32848234 . S2CID 203021651 .
^ Морган, Джеймс (26 сентября 2013 г.). «Представлен первый компьютер из углеродных нанотрубок» . Би-би-си . Проверено 26 сентября 2013 г.
^ Ким, Меери (26 сентября 2013 г.). «Ученые создали первый компьютер на углеродных нанотрубках» . Вашингтон Пост . Проверено 26 сентября 2013 г.
^ Кортленд, Рэйчел (25 сентября 2013 г.). «Дебют первого компьютера, сделанного из углеродных нанотрубок» . IEEE-спектр . Проверено 19 сентября 2019 г.
^ Мур, Сэмюэл К. (28 августа 2019 г.). «Микропроцессор из углеродных нанотрубок, достаточно зрелый, чтобы поздороваться» . IEEE-спектр . Проверено 19 сентября 2019 г.
^ Шулакер, Макс М.; Чандракасан, Ананта; Мерфи, Денис; Штейн, Йоси; Амер, Айя; Канхайя, Притпал; Шримани, Татхагата; Бишоп, Минди Д.; Фуллер, Сэмюэл; Райт, Эндрю; Лау, Кристиан; Хиллз, Гейдж (2019). «Современный микропроцессор, построенный на основе дополнительных транзисторов из углеродных нанотрубок». Природа . 572 (7771): 595–602. Бибкод : 2019Natur.572..595H . дои : 10.1038/s41586-019-1493-8 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 31462796 . S2CID 201658375 .

[Shulaker_2013-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Шулакер, Макс М.; Хиллз, Гейдж; Патил, Нишант; Вэй, Хай; Чен, Хун-Ю; Вонг, Х.-С. Филипп; Митра, Субхасиш (2013). «Компьютер на углеродных нанотрубках». Природа . 501 (7468): 526–530. Бибкод : 2013Natur.501..526S . дои : 10.1038/nature12502 . ПМИД 24067711 . S2CID 205235321 .

[Moore_2020-2] Мур, Сэмюэл К. (14 декабря 2020 г.). «Уменьшенные по своим возможностям транзисторы из углеродных нанотрубок стали на шаг ближе к кремниевым. Решение проблемы диэлектрика затвора облегчает выключение устройств» . IEEE-спектр . Проверено 7 июля 2022 г.

[Markoff_2013-3] Перейти обратно: ^а ^б Маркофф, Джон (26 сентября 2013 г.). «Исследователи создают работающий компьютер из углеродных нанотрубок» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 26 сентября 2013 г.

[Gibney_2019-4] Перейти обратно: ^а ^б Гибни, Элизабет (28 августа 2019 г.). «Самый большой чип из углеродных нанотрубок говорит: «Привет, мир!» ". Новости природы . дои : 10.1038/d41586-019-02576-7 . ПМИД 32848234 . S2CID 203021651 .

[Morgan_2013-5] Морган, Джеймс (26 сентября 2013 г.). «Представлен первый компьютер из углеродных нанотрубок» . Би-би-си . Проверено 26 сентября 2013 г.

[Kim_2013-6] Ким, Меери (26 сентября 2013 г.). «Ученые создали первый компьютер на углеродных нанотрубках» . Вашингтон Пост . Проверено 26 сентября 2013 г.

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

[Moore_2019-8] Мур, Сэмюэл К. (28 августа 2019 г.). «Микропроцессор из углеродных нанотрубок, достаточно зрелый, чтобы поздороваться» . IEEE-спектр . Проверено 19 сентября 2019 г.

[Shulaker_2019-9] Шулакер, Макс М.; Чандракасан, Ананта; Мерфи, Денис; Штейн, Йоси; Амер, Айя; Канхайя, Притпал; Шримани, Татхагата; Бишоп, Минди Д.; Фуллер, Сэмюэл; Райт, Эндрю; Лау, Кристиан; Хиллз, Гейдж (2019). «Современный микропроцессор, построенный на основе дополнительных транзисторов из углеродных нанотрубок». Природа . 572 (7771): 595–602. Бибкод : 2019Natur.572..595H . дои : 10.1038/s41586-019-1493-8 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 31462796 . S2CID 201658375 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]