Американські вчені створили 16-бітний мікропроцесор, що складається з майже 15 тисяч КМОП-транзисторів, заснованих на вуглецевих нанотрубках. Цього вдалося досягти завдяки новому методу створення моношару з нанотрубок та іншим технологіям. Розробники продемонстрували працездатність процесора, запустивши на ньому всі типи інструкцій архітектури RISC-V і виконавши програму, що виводить слова «Hello, World!». Стаття опублікована в.
Основний спосіб підвищення ефективності та потужності процесорів полягає в мініатюризації технологічного процесу їх виробництва. На сьогоднішній день існують серійні процесори, вироблені за 7-нанометровим техпроцесом, і дослідне виробництво по 5-нанометровому. Однак подальша мініатюризація стає все більш складною і менш вигідною, тому вчені пропонують замінити кремній в чіпах на інші матеріали.
Одним з найперспективніших матеріалів для транзисторів вважаються вуглецеві нанотрубки, що мають невеликий розмір (1-2 нанометри в діаметрі) і високу рухливість носіїв заряду. На основі нанотрубок вже були створені транзистори, причому обходять за деякими характеристиками кремнієві, а в 2013 році група вчених зі Стенфордського університету під керівництвом Макса Шулакера (Max Shulaker) створила перший мікропроцесор з транзисторами на вуглецевих нанотрубках.
Незважаючи на важливість цієї розробки, процесор містив всього 178 транзисторів і мав вкрай обмежені можливості. Крім того, процеси створення таких чіпів поки неефективні і не підходять для масового виробництва процесорів з конкурентними характеристиками. У новій роботі група Макса Шулакера з Массачусетського технологічного університету вирішила частину проблем при виробництві транзисторів на вуглецевих нанотрубках і в якості демонстрації створила повноцінний процесор, що містить 14702 транзистори.
Вчені навчилися боротися з агрегацією нанотрубок у великі скупчення після їх напилення на підкладку. Для цього вони запропонували наносити на поверхню шару нанотрубок невеликий обсяг фоторезисту, відтворювати його за допомогою опромінення. Після цього скупчення видаляються за допомогою ультразвуку, а монослой нанотрубок залишається завдяки стримуючому його шару фоторезиста.
Ще одна проблема при створенні великих чіпів з транзисторами на вуглецевих нанотрубках полягає в тому, що вони повинні складатися з напівпровідникових нанотрубок і в загальному випадку містити не більше 0,000001 відсотка металевих нанотрубок. Однак вимога до чистоти матеріалу розрізняються залежно від того, як реалізовані логічні елементи в чіпі. Автори навчилися використовувати комплекс автоматизації проектування електронних пристроїв таким чином, щоб автоматично змінювати реалізацію логіки чіпа з урахуванням впливу частки металевих нанотрубок на елементи, не змінюючи при цьому його функції.
Автори статті створили процесор, що складається з інверторів, кожен з яких складається з двох транзисторів з p- або n-каналом з вуглецевих нанотрубок. Робота інверторів заснована на тому, що вони видають у відповідь на високу вхідну напругу низьку вихідну або навпаки. Створений авторами процесор заснований на відкритій архітектурі RISC-V. У ньому використовується повноцінний 32-бітний набір команд RV32E, але розрядність тракту даних знижена з 32 до 16 біт, а кількість регістрів - з 16 до 4.
Автори продемонстрували працездатність чіпа, виконавши всю 31 інструкцію з набору команд RV32E. Крім того, вони написали програму, що дозволяє виводити послідовність шістнадцяткових символів, які кодують слова "Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.»:
Вчені, які працюють у галузі обчислювальних пристроїв, створюють не тільки нові матеріали для процесорів, а й нові архітектури. Наприклад, нещодавно китайські вчені створили новий нейроморфний процесор, що імітує роботу нейронів на апаратному рівні за допомогою штучних аналогів синапсу, аксона і дендриту. Головна відмінність цього процесора від інших нейроморфних чіпів полягає в можливості роботи в гібридному режимі, в якому частина ядер працюють в режимі класичної штучної нейромережі, а частина - в режимі імпульсної, що імітує роботу справжніх нейромереж в мозку тварин.