硅半导体工业的颠覆者来了!碳纳米管计算机诞生

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在宾夕法尼亚大学计算机系的实验室中,摆放着世界上第一台电子计算机——ENIAC。1946年诞生的ENIAC占地面积170平方米,重约30吨,每秒可进行5000次加法或500次乘法运算……但如今,即使是拿它和如今最普通的一款智能手机相比,我们也可以毫不客气的称之为“傻大个”。计算机高速且小型化发展的背后是近几十年来,计算能力的发展一直遵循Intel创始人Gordon Moore所提出的“摩尔定律”——同样价格的集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

但“摩尔定律”何时会出现瓶颈一直是计算机领域悬而未决的话题,不少人提出由于制造工艺和材料的物理限制的问题,到了2018年左右,无论如何人们也无法在制造出更小的晶体管了。换句话说,硅,这种化学性质稳定、储量丰富、价格低廉,在计算机史上占有绝对地位的材料,有可能成为计算能力继续发展的阻碍。

而如今,人们似乎找到了硅的替代方案来延续摩尔定律,它就是碳纳米管——不久前,在与宾夕法尼亚大学隔美国东西相望,紧临硅谷的斯坦福大学中,世界上第一台碳纳米管计算机诞生了

根据维基百科的介绍,碳纳米管,与金刚石、石墨、富勒烯一样,是碳的一种同素异形体。碳纳米管具有超常的强度、热导率、磁阻,且性质会随结构的变化而变化,可由绝缘体转变为半导体、由半导体变为金属。用碳纳米管所制造出的新一代电子元器件,要比硅元器件体积更小、耗能更低且有更强的传导能力。

斯坦福的Subhasish Mitra教授和H.S. Philip Wong教授是碳纳米管计算机项目的领导者,Mitra说:“人们早已谈到碳纳米管能够将电子工业带进新纪元,可并没有什么完整的数字系统去证明这一点,现在,我们做到了”。

这不是一件容易的事,他们得找到合适的方法制作出碳纳米管元器件,然后利用这些元器件去搭建一个简单但有效的计算机系统,这两点都极具挑战。

首先,在传统的芯片制造上,这是所有厂商都偏爱的方式,因为可以在小范围内保证绝缘性,但要用六边形结构的碳纳米管做成平行线式的排列是很难的事情,研究人员找到了一些技巧,能够保证99.5%的碳纳米管都能直线生成,但由于一个芯片上有数十亿的碳纳米管组成,所以即使有一小部分碳纳米管发生偏移也可能出现问题;

其次,由于需要在高温房间里用半导体晶圆培育大量碳纳米管,所以如前面介绍的特性,会有部分金属性碳纳米管产生,它们变得和金属一样导电,像杂草一样干扰整个芯片的制造。

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由于找不到方法抑制这种金属性碳纳米管的生成,所以就得想办法除去它们,最后研究者们想到了一个解决办法——它们将整个半导体通上电流,所有的电流集中在金属性碳纳米管上,它们会因发热而燃烧,最后汽化成二氧化碳。利用这个技术,可以一次性去除所有金属性的碳纳米管。

同样,由于无法避免碳纳米管的非直线生长,所以他们设计了一套算法,能够保证即使碳纳米管歪斜,也能利用精巧的电路布线去避免其对电路产生影响。

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利用这套“免疫缺陷的设计方法”(imperfections-immune design),最后他们设计制作出了一个由178个晶体管组成的计算机,它的大小只有6.5平方毫米,它可以运行MIPS指令集,研究者们展示了利用它来进行数字排序的能力。

当然,它还远不够成熟,未来几年,研究者们会把重心放在如何让这项碳纳米管半导体制作技术从实验室走向工业化生产。它的最终目标也很明确——取代和颠覆如今的硅半导体电子工业。

注:图片来自phys.org和自然杂志

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