本文经AI新媒体量子比特（公众号ID：QbitAI）授权转载，转载请联系出处。“你好，世界！我是RV16XNano，由碳纳米管制成”。“你好，世界！我是RV16XNano，由碳纳米管制成。”这句话出自麻省理工研究团队发明的16位碳纳米管芯片所执行的程序。是的，你没有看错，他们采用了与硅相同的制造工艺，以碳纳米管为基础，做出了具有完整架构的芯片，迎接了全世界。刚刚，Nature发表了这一研究成果，并发表了相应的新闻和评论，做出重点推荐。碳纳米管被认为是替代硅材料的首选材料，导电速度比硅更快、效率更高。理论上，它的效率是硅的10倍，运行速度是硅的三倍，而能耗仅为硅的三分之一。而且，它的用途更为广泛。一些科学家认为，碳纳米管还可以用来制造可以注射到体内的微芯片，或者是可以杀死人体内癌细胞的纳米机器。前景不可估量。但碳纳米管也存在“疯狂生长”等一系列设计、制造和功能问题，很难将它们放在特定的位置，使其发挥特定的作用。面对巨大的前景和潜力，这些问题正在被攻克。2013年，斯坦福大学制造出第一台碳纳米管计算机，只有178个晶体管。现在，麻省理工学院的一个研究团队创造了RV16X-NANO，它有14,000个晶体管。6年增长了近80倍，速度是摩尔定律的5倍。上海交通大学孙亚南教授在接受《自然》杂志采访时表示，“这项工作向前迈进了一大步，更接近商用芯片。”科技媒体ArsTechnica也发表评论称，这是一个激动人心的项目。令人印象深刻的工作。相对来说，网友们给出的评论就没有那么拘谨了：这是一个噱头——不过是一个相当酷炫的噱头优点，但是用碳纳米管做芯片也存在很多问题。首先，虽然碳纳米管是一种半导体，但其制造过程需要使用到金属，因此生产出来的碳纳米管难免会混入金属杂质。要获得纯化的半导体版本需要99.999999%的纯度水平，这在当前技术下几乎是不可能的。此外，碳纳米管不会自然形成p型或n型半导体。在硅中，这些特性是通过掺杂少量其他元素来实现的。但是碳纳米管非常小，很难掺杂。另一个问题是制造电子元件需要将纳米管放置在极其精确的位置。科学家们还没有办法让它们在特定位置生长。所以不得不单独制作它们，让它们沉淀在表面上。不幸的是，这个过程通常会产生随机取向的纳米管薄膜，大量碳纳米管与一些金属纳米管混合在一起。麻省理工学院的研究人员和模拟设备公司的科学家已经找到了解决所有这些问题的方法。研究人员提出了一种名为DREAM的技术，将对碳纳米管的严格纯度要求放宽了约10000倍，这意味着可以制造出纯度为99.99%的芯片，这在现有技术下是可行的。制作碳纳米管芯片首先要解决的是乱序排列的问题。研究人员制造了一个具有足够大金属特征的硅表面，以允许纳米管在金属间隙之间生长。为了去除聚集体，他们在纳米管上沉积了一层材料，然后用超声波将其破坏。该材料在不干扰下面的纳米管的情况下带走了聚集体。接下来，为了将纳米管限制在需要的地方，研究人员将大部分纳米管蚀刻掉，只留下需要的部分。然后，研究人员使用原子沉积将金属氧化物附着到纳米管上。不同的金属氧化物具有不同的性质，纳米管可以根据需要转化为p型或n型半导体。这个过程类似于硅晶体的掺杂，可以有效控制单个pn结的行为。从晶体管到芯片，最终的组件称为碳纳米管场效应晶体管(CNFET)，它与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)一样，是下一代计算机的构建块。芯片的功能是通过逻辑门的组合来实现的，逻辑门可以通过CNFET的组合来构建。△碳纳米管制成的反相器研究人员希望降低某些逻辑运算对金属纳米管的敏感性。因此，他们修改了一个开源RISC设计工具来解决这些问题，使没有门的芯片设计对金属碳纳米管最敏感。由此产生的芯片称为RV16X-NANO，使用RISC-V架构的32位长指令。内存寻址限制为16位，功能单元包括取指令、译码、寄存器、执行单元和写回内存。总体而言，RV16X-NANO使用了14,000多个独立晶体管，碳纳米管产量为100%。也就是说，这14000个晶体管每一个都在工作，没有一个报废。RV16X-NANO也是一个3D芯片，纳米管层下方的金属触点用于在不同晶体管之间传递信号，而纳米管上方的单独金属触点用于供电。改进空间RV16X-NANO芯片中的晶体管沟道长度约为1.5微米，相当于硅片中的Intel80386。该处理器于1985年推出。80386的运行频率为16MHz，而CNT计算机的最高频率仅为1MHz。这种差异是由于电子元件的电容和晶体管可以承载的电流量造成的。硅晶体管每微米宽度可承载约1毫安(1mA/μm)，而碳纳米管晶体管只能承载约6μA/μm。这是未来版本的计算机需要改进的地方。增加电流的第一步是减少晶体管沟道长度。2根碳纳米管的沟道长度可缩短至5nm。第二步是将每个通道中的纳米管密度从每微米10个增加到500个。新的沉积技术可以将该网络中的电流密度提高到1.7mA/μm。第三步是减小晶体管的宽度，从而减小源极和漏极的宽度，这将使电极能够更快地充电和放电。6年前，该团队就这项研究做出了两部第一部作品，即GageHills和ChristianLau；通讯作者为MaxM.Shulaker；都来自麻省理工学院。其中，MaxM.Shulaker和GageHills是2013年第一篇碳纳米管计算机研究成果的第一作者和第二作者，当时他们是斯坦福大学的博士生。这次取得的进展建立在这项研究的基础上。2016年7月，MaxM.Shulaker以助理教授的身份加入麻省理工学院，继续研究碳纳米管。目前，GageHills是麻省理工学院的博士后研究员，负责芯片的大部分设计。麻省理工学院的硕士生ChristianLau负责芯片的大部分制造。此外，其中两位作者来自AnalogDevices。据悉，这家公司是这项研究的支持者之一。根据麻省理工学院的报告，舒拉克的下一步是将芯片带入现实世界。他说，这不再是是和否的问题，而是什么时候的问题。为了实现这一目标，他们通过美国DARPA的一个项目，将该技术应用于硅片代工厂进行实践研究。至于碳纳米管制成的芯片何时可以商用，目前还没有人能给出确切的时间。但可能不到五年，舒拉克说。
