Les ingénieurs du MIT construisent des microprocesseurs avancés à partir de nanotubes de carbone.
La nouvelle approche utilise les mêmes processus de fabrication que les puces en silicium et offre des avancées significatives dans le développement des ordinateurs de la prochaine génération.
Après des années consacrées à de nombreux défis de développement et de fabrication, les chercheurs du MIT ont mis au point un microprocesseur à la pointe de la technologie, composé de transistors à nanotubes de carbone, largement considéré comme une alternative plus rapide et plus écologique à leurs homologues traditionnels en silicium.
Le microprocesseur, décrit aujourd'hui dans la revue Nature, peut être fabriqué à l'aide de techniques classiques de fabrication de puces en silicium et représente une étape importante vers une application plus pratique des microprocesseurs à nanotubes de carbone.
Les transistors en silicium - des composants de microprocesseur critiques qui commutent entre 1 et 0 bits pour effectuer des calculs - sont établis dans l'industrie informatique depuis des décennies. Comme prévu par la loi de Moore, toutes les quelques années, l'industrie a pu réduire la taille des transistors et placer davantage de puces en place pour effectuer des calculs de plus en plus complexes. Mais les experts prédisent un moment où les transistors en silicium ne rétréciront plus et deviendront de plus en plus inefficaces.
La fabrication de transistors à effet de champ en nanotubes de carbone (CNFET) est devenue un objectif important dans la construction d'ordinateurs de nouvelle génération. La recherche montre que les CNFET ont des propriétés qui promettent une efficacité énergétique multipliée par 10 et des vitesses beaucoup plus élevées par rapport au silicium. Mais si les transistors sont fabriqués à petite échelle, ils présentent souvent de nombreux inconvénients qui affectent les performances. Ils ne sont donc pas pratiques.
Un gros plan d'un microprocesseur moderne composé de transistors à effet de champ en nanotubes de carbone. Remerciements - Image: Felice Frankel, MIT
Les chercheurs du MIT ont mis au point de nouvelles techniques pour réduire considérablement les défauts et permettre un contrôle complet de la fonction de fabrication des CNFET en utilisant les processus des fonderies de puces en silicium traditionnelles. Ils ont présenté un microprocesseur 16-bit avec plus de 14.000 CNFET, qui effectue les mêmes tâches que les microprocesseurs commerciaux. Nature Paper décrit la conception du microprocesseur et comprend plus de pages 70 décrivant le procédé de fabrication.
Le microprocesseur est basé sur l'architecture de puce open source RISC-V, qui contient une série d'instructions qu'un microprocesseur peut exécuter. Le microprocesseur des chercheurs a pu exécuter avec précision l'ensemble du jeu d'instructions. Une version modifiée du programme classique "Hello, World!" Qui a été imprimé, "Hello, World!" Je suis RV16XNano, fabriqué à partir de CNT. "
"Il s'agit de loin de la puce la plus avancée d'une nanotechnologie naissante qui est très prometteuse pour un calcul haute performance et économe en énergie", déclare le co-auteur Max M. Shulaker, professeur assistant de développement de carrière Emanuel E Landsman en génie électrique et informatique (EECS) et Membre de Microsystems Technology Laboratories. «Il y a des limites au silicium. Si nous voulons continuer à progresser dans l'informatique, les nanotubes de carbone sont l'un des moyens les plus prometteurs de repousser ces limites.
Aux côtés de Shulaker, les personnes suivantes travaillent sur le projet: auteur principal et postdoc Gage Hills, les étudiants diplômés Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho et Aya Amer, tous d’EECS; Arvind, Johnson Professeur d'informatique et d'ingénierie et chercheur au laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle; Anantha Chandrakasan, doyenne de l'école d'ingénieurs et professeur Vannevar Bush en génie électrique et en informatique; et Samuel Fuller, Yosi Stein et Denis Murphy, tous des appareils analogiques.
Les ingénieurs du MIT ont construit un microprocesseur moderne à partir de transistors à effet de champ à nanotubes de carbone (photo), qui sont considérés comme plus rapides et plus écologiques que les transistors en silicium. La nouvelle approche utilise les mêmes procédés de fabrication que pour les puces en silicium. Remerciements - Image: Felice Frankel, MIT
Combattre la «malédiction» des CNFET
Le microprocesseur s’appuie sur une simulation antérieure mise au point par Shulaker et d’autres chercheurs il ya six ans, qui ne comportait que des CNFET 178 et s’exécutait sur un seul bit de données. Depuis lors, Shulaker et ses collègues du MIT ont abordé trois problèmes spécifiques liés à la fabrication d’appareils: les défauts de matériaux, les défauts de fabrication et les problèmes fonctionnels. Hills a repris l'essentiel de la conception du microprocesseur, tandis que Lau a repris l'essentiel de la fabrication.
Pendant des années, la faille inhérente aux nanotubes de carbone a été une «malédiction du champ», dit Shulaker. Idéalement, les CNFET ont besoin de propriétés semi-conductrices pour activer et désactiver leur conductivité selon les bits 1 et 0, mais inévitablement une petite partie des nanotubes de carbone sera métallique et ralentira ou arrêtera le transistor. Afin de résister à ces défaillances, les circuits modernes nécessitent des nanotubes de carbone d'une pureté d'environ 99,999999%, ce qui est pratiquement impossible à fabriquer aujourd'hui.
Les chercheurs ont développé une technique appelée DREAM (acronyme de «Design Resiliency against Metallic CNTs») qui positionne les CNFET métalliques de manière à ce qu'ils n'interfèrent pas avec le traitement des données. Ce faisant, ils ont assoupli ces exigences de pureté strictes d'environ quatre ordres de grandeur - soit 10.000 fois - ce qui signifie qu'ils n'ont besoin que de nanotubes de carbone d'une pureté d'environ 99,99%, ce qui est actuellement possible.
La conception de circuits nécessite essentiellement une sélection de différentes portes logiques connectées à des transistors qui peuvent être combinées pour créer des additionneurs et des multiplicateurs, par exemple - comme la combinaison de lettres dans l'alphabet pour créer des mots. Les chercheurs ont découvert que les nanotubes de carbone métalliques affectent différemment différents appariements de ces portes. Par exemple, un seul nanotube de carbone métallique dans la porte A peut rompre la connexion entre A et B. Cependant, plusieurs nanotubes de carbone métalliques dans la porte B ne peuvent interférer avec aucune de leurs connexions.
Dans la conception d'une puce, il existe de nombreuses façons d'implémenter du code sur un circuit. Les chercheurs ont effectué des simulations pour trouver toutes les combinaisons de grilles résistantes aux nanotubes de carbone métalliques. Ils ont ensuite adapté un programme de conception de puces pour déterminer automatiquement les combinaisons les moins affectées par les nanotubes de carbone métalliques. Lors de la conception d'une nouvelle puce, le programme utilise uniquement les combinaisons robustes et ignore les combinaisons vulnérables.
«Le jeu de mots« rêver »est entièrement intentionnel car c'est la solution du rêve», déclare Shulaker. "Cela nous permet d'acheter des nanotubes de carbone dans le commerce, de les jeter sur une plaquette et de simplement configurer notre circuit comme d'habitude sans rien faire d'autre."
Exfoliation et mise au point
La production du CNFET commence par l'application de nanotubes de carbone dans une solution à une plaquette avec des architectures de transistors préfabriquées. Cependant, certains nanotubes de carbone se collent inévitablement ensemble au hasard pour former de grandes piles - comme des brins de spaghettis façonnés en petites sphères - qui créent une grande contamination particulaire sur la puce.
Pour éradiquer cette contamination, les chercheurs ont créé RINSE (pour «Removal of Incubated Nanotubes by Selective Exfoliation»). La plaquette est prétraitée avec une préparation qui favorise l'adhésion des nanotubes de carbone. La plaquette est ensuite revêtue d'un polymère spécifique et immergée dans un solvant spécial. Cela lave le polymère, qui n'emporte que les gros faisceaux, tandis que les nanotubes de carbone individuels adhèrent à la tranche. La technique conduit à une réduction d'environ 250 fois de la densité des particules sur la puce par rapport à des méthodes similaires.
Enfin, les chercheurs ont examiné les problèmes fonctionnels courants des CNFET. Deux types de transistors sont nécessaires pour le calcul binaire: les types "N", qui s'allument avec un bit 1 et s'éteignent avec un bit 0, et les types "P", qui ont l'effet inverse. Traditionnellement, il était difficile de fabriquer les deux types à partir de nanotubes de carbone, ce qui aboutissait souvent à des transistors avec des niveaux de performance différents. Pour cette solution, les chercheurs ont développé une technique appelée MIXED (pour «Metal Interface Engineering croisé avec dopage électrostatique»), qui ajuste précisément les transistors pour leur fonctionnement et leur optimisation.
Dans cette technique, ils lient certains métaux à chaque transistor - platine ou titane - ce qui leur permet de fixer ce transistor comme P ou N. Ils enrobent ensuite les CNFET d'un composé oxyde par dépôt de couche atomique, ce qui leur permet d'ajuster les propriétés des transistors pour des applications spécifiques. Par exemple, les serveurs ont souvent besoin de transistors qui fonctionnent très rapidement, mais qui transportent en même temps énergie et performances. Les dispositifs portables et les implants médicaux, par contre, peuvent utiliser des transistors plus lents et de faible puissance.
L'objectif principal est de faire entrer les puces dans le monde réel. À cette fin, les chercheurs ont maintenant commencé à mettre en œuvre leurs techniques de fabrication dans une fonderie de puces de silicium à travers un programme de la Defense Advanced Research Projects Agency, qui soutient la recherche. Bien que personne ne puisse dire quand des puces entièrement fabriquées à partir de nanotubes de carbone arriveront sur les tablettes, Shulaker dit que cela pourrait prendre moins de cinq ans. «Nous pensons qu'il ne s'agit plus de savoir si, mais quand», dit-il.
Les travaux ont également bénéficié du soutien d’Analog Devices, de la National Science Foundation et du Air Force Research Laboratory.
Article: MIT / ISE, image: Felice Frankel, MIT
