הקץ לסיליקון? חוקרים ב-MIT בנו מעבד CPU מננו-צינוריות פחמן

11 ספטמבר, 2019

המעבד בעל 16 סיביות וכולל 14,000 טרנזסטורים שיעילותם גבוהה פי 10 מהיעילות של טרנזיסטורי FET עשויי סיליקון. להערכת החוקרים, בתוך חמש שנים הטכנולוגיה תהיה בשוק

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) הצליחו לבנות מעבד CPU המבוסס על טרנזיסטורים שיוצרו באמצעות ננו צינוריות פחמן (Carbon Nanotubes). המעבד קיבל את הכינוי RV16XNano. הפרוייקט פורסם בעיתון המדעי Nature, ועשוי לציין את השלב הבא בייצור שבבי מחשבים, לאחר שתהליך המזעור של טרנזיסטורים נבלם כמעט לחלוטין בגבולות ה-5 וה-3 ננומטר.

ננו-צינוריות פחמן הן מבנה הבנוי מאטומי פחמן בתצורת גרפן (סריג בעל שכבה אחת של אטומים) המקופל לצינור חלול בקוטר של 1-2 ננומטר ובאורך משתנה של עד מילימטרים בודדים. צינוריות הפחמן מאופיינות בתכונות רבות החשובות למעגלים אלקטרוניים פוטנציאליים: הן נצמדות בחוזקה אל פני השטח (בזכות מטענים אלקטרו-סטטיים), נהנות מחוזק עצום ומגמישות, הן מגיבות ברגישות לטמפרטורה ולמטענים חשמליים, ובעלי יכולת פריקה וטעינה של מטענים חשמליים גדולים יחסית.

הפרוייקט בוצע לאחר מספר שנות מחקר שבמהלכן פותח טרנזיסטור FET המבוסס על ננו צינוריות (CNFET). הטרנזיסטורים האלה מהירים בהרבה מטרנזיסטורי סיליקון, והיעילות האנרגטית שלהם גדולה פי 10. אולם בתהליך ייצר המוני קשה מאוד לייצר אותם ללא תקלות. המעבד יוצר לאחר שהחוקרים פיתחו שיטת ייצור המאפשרת לקבל שיעור נמוך מאוד של טרנזיסטורים תקולים.

צינוריות פחמן מתגברות על מגבלות הסיליקון

באמצעות התהליך הם בנו מעבד 16 סיביות מבוסס RISC-V הכולל כ-14,000 טרנזיסטורי CNFET. המעבד הצליח לבצע סדרה של פעולות חישוב סטנדרטיות, כאשר הפלט הראשון שלו היה: “Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.” השבב החדש הוא פרוייקט המשך למעגל שנבנה לפני 6 שנים, אשר כלל 178 טרנזיסטורי CNFET. "זהו השבב המתקדם ביותר שיוצר באמצעות ננו טכנולוגיות", אמר פרופ' מקס שלוקר, מהמעבדה למיקרו-מערכות ב-MIT. "לסיליקון יש מגבלות, וחומרים המבוססים על ננו צינוריות פחמן יכולים להתגבר על המגבלות האלה".

צילום מוגדל של המעבד RV16XNano. סביב המעבד, הנראה במרכז התמונה, יוצרו גם מעגלי בדיקה לצורך מדידת תקינות הטרנזיסטורים והמעגל. בסוף תהליך הבדיקה, המעבד מופרד ממעגלי הבדיקה
צילום מוגדל של המעבד RV16XNano. סביב המעבד, הנראה במרכז התמונה, יוצרו גם מעגלי בדיקה לצורך מדידת תקינות הטרנזיסטורים והמעגל. בסוף תהליך הבדיקה, המעבד מופרד ממעגלי הבדיקה

כדי להתגבר על קשיי הייצור, החוקרים פיתחו שיטת ייצור בשם DREAM אשר הגיעה לרמת אמינות של 1:10,000. כלומר, טרנזיסטור אחד תקול לכל 9,999 טרנזיסטורים תקינים. במקביל, הם הריצו תוכנת סיולציה אשר זיהתה את המבנים של שערים לוגיים שבהם הטרנזיסטורים פועלים ביעילות ולא גורמים להפרעות הדדיות. במקביל, הם הצליחו לייצר טרנסיטורים מסוג P אשר מתמגים כאשר היחידה הלוגית היא "1", וטרנזיסטורים מסוג N, המתמתגים כאשר המידע הוא "0".

אולם כדי להוכיח את יעילותו, היה צורך לייצר אותו בתהליך תעשייתי. באמצעות מימון של הסוכנות למחקרי ביטחון מתקדמים (DARPA) וחברת Analog Devices, השבב יוצר בקו ייצור סטנדרטי של מוליכים למחצה, על גבי פרוסת סיליקון בקוטר של 150 מ"מ שעליה יוצרו 32 מעבדים. להערכת שלוקר, הפרוייקט הוכיח שמעבדים מבוססי CNFET הגיעו לרמת בשלות תעשייתית. "השאלה לא האם הם יגיעו לשוק, אלא מתי. להערכתנו זה ייקח פחות מחמש שנים".

פרוסת הסיליקון עם 32 מעבדי RV16XNano
פרוסת הסיליקון עם 32 מעבדי RV16XNano
Share via Whatsapp

פורסם בקטגוריות: חדשות , סמיקונדקטורס

פורסם בתגיות: CPU , RISC-V , ננו טכנולוגיה , סיליקון