Stanfords ingeniører perfektionerer kulstof-nanorør til yderst energieffektiv databehandling

Carbon nanorør repræsenterer en væsentlig afvigelse fra traditionelle siliciumteknologier og tilbyder en lovende vej til at løse udfordringen med energieffektivitet i computerkredsløb, men de er ikke uden udfordringer. Nu, ingeniører hos Stanford har fundet måder at omgå udfordringerne for at producere de første full-wafer digitale logiske strukturer baseret på kulstof nanorør.

Energieffektivitet er den største udfordring, der står i vejen for fortsat miniaturisering af elektroniske systemer, og miniaturisering er den vigtigste drivkraft for halvlederindustrien. "Når vi nærmer os de ultimative grænser for Moores lov, imidlertid, silicium skal udskiftes for at miniaturisere yderligere, " sagde Jeffrey Bokor, vicedirektør for videnskab ved Molecular Foundry ved Lawrence Berkeley National Laboratory og professor ved UC-Berkeley.

Til denne ende, kulstof nanorør (CNT'er) er en væsentlig afvigelse fra traditionelle siliciumteknologier og en meget lovende vej til at løse udfordringen med energieffektivitet. CNT'er er cylindriske nanostrukturer af kulstof med exceptionelle elektriske, termiske og mekaniske egenskaber. Nanorørkredsløb kunne give en ti gange forbedring af energieffektiviteten i forhold til silicium.

Stanford-teamets arbejde blev for nylig præsenteret som en inviteret afhandling på det prestigefyldte International Electron Devices Meeting (IEDM) såvel som et "keynote paper" i det højt ansete IEEE-transaktioner om computerstøttet design af integrerede kredsløb og systemer .

Tidligt løfte

Da de første rudimentære nanorørtransistorer blev demonstreret i 1998, forskere forestillede sig en ny tidsalder med høj effektivitet, avanceret computerelektronik. Det løfte, imidlertid, er endnu ikke realiseret på grund af væsentlige materielle ufuldkommenheder, der er iboende til nanorør, som fik ingeniører til at spekulere på, om CNT'er nogensinde ville vise sig levedygtige.

I løbet af de sidste par år, et hold af Stanford ingeniørprofessorer, doktorander, bachelorer, og gymnasiepraktikanter, ledet af professorerne Subhasish Mitra og H.-S. Philip Wong, tog udfordringen op og har produceret en række gennembrud, der repræsenterer de mest avancerede computer- og lagringselementer, der endnu er skabt ved hjælp af CNT'er.

"De første CNT'er imponerede forskersamfundet med deres exceptionelle elektriske, termiske og mekaniske egenskaber for over ti år siden, men dette nylige arbejde på Stanford har givet det første glimt af deres levedygtighed til at komplementere silicium CMOS-transistorer, " sagde Larry Pileggi, Tanoto professor i elektro- og computerteknik ved Carnegie Mellon University og direktør for Focus Center Research Program Center for Circuit and System Solutions.

Store barrierer

Mens der har været betydelige resultater i CNT-kredsløb gennem årene, de er for det meste kommet på enkelt-nanorør niveau. Der er mindst to store barrierer tilbage, før CNT'er kan udnyttes til teknologier med praktisk virkning:For det første, "perfekt" justering af nanorør har vist sig næsten umuligt at opnå, introduktion af skadelige ledningsveje og defekt funktionalitet i kredsløbene; sekund, tilstedeværelsen af ​​metalliske CNT'er (i modsætning til mere ønskelige halvledende CNT'er) i kredsløbene fører til kortslutninger, overdreven strømlækage og modtagelighed for støj. Ingen CNT-synteseteknik har endnu udelukkende produceret halvledende nanorør.

"Carbon nanorør transistorer er attraktive af mange grunde som grundlag for tætte, energieffektive integrerede kredsløb i fremtiden. Men, at blive båret ud af kemi, de kommer med unikke udfordringer, da vi forsøger at tilpasse dem til mikroelektronik for første gang. Den vigtigste blandt dem er variation i deres placering og deres elektriske egenskaber. Stanford-arbejdet, der ser på at designe kredsløb under hensyntagen til en sådan variabilitet, er derfor et yderst vigtigt skridt i den rigtige retning, "Supratik Guha, Direktør for Physical Sciences Department ved IBM Thomas J. Watson Research Center.

"Dette er meget interessant og kreativt arbejde. Selvom der er mange vanskelige udfordringer forude, Wong og Mitras arbejde gør gode fremskridt med at løse nogle af disse udfordringer, " tilføjede Bokor.

Ved at indse, at bedre processer alene aldrig vil overvinde disse ufuldkommenheder, Stanford-ingeniørerne formåede at omgå barriererne ved hjælp af et unikt imperfektion-immun designparadigme til at producere de første digitale logiske strukturer i fuld wafer-skala nogensinde, der er upåvirket af fejljusterede og forkert placerede CNT'er. Derudover de adresserede udfordringerne ved metalliske CNT'er med opfindelsen af ​​en teknik til at fjerne disse uønskede elementer fra deres kredsløb.

Slående træk

Stanfords designtilgang har to slående træk, idet den stort set ikke ofrer nogen af ​​CNT'ers energieffektivitet, og den er også kompatibel med eksisterende fremstillingsmetoder og infrastruktur, skubbe teknologien et væsentligt skridt mod kommercialisering.

"Denne transformative forskning bliver endnu mere lovende af det faktum, at den kan eksistere sammen med nutidens almindelige siliciumteknologier, og udnytte nutidens produktions- og systemdesigninfrastruktur, providing the critical feature of economic viability, " said Betsy Weitzman of the Focus Center Research Program at the Semiconductor Research Corporation

The engineers next demonstrated the possibilities of their techniques by creating the essential components of digital integrated systems:arithmetic circuits and sequential storage, as well as the first monolithic three-dimensional integrated circuits with extreme levels of integration.

"Many researchers assumed that the way to live with imperfections in CNT manufacturing was through expensive fault-tolerance techniques. Through clever insights, Mitra and Wong have shown otherwise. Their inexpensive and practical methods can significantly improve CNT circuit robustness, and go a long way toward making CNT circuits viable, " said Sachin S. Sapatnekar, Editor-in-Chief, IEEE Transactions on CAD . "I anticipate high reader interest in the paper, " Sapatnekar noted.