碳纳米晶体管

麻省理工学院(MIT)的研究人员在制造碳纳米管处理器方面找到了解决头痛的新方法。

麻省理工学院的研究团队公布了迄今为止世界上最先进的由碳纳米管制成的芯片。该新型微处理器能够兼容当前的软件程序，在寻找硅替代品的道路上可能是一个重要里程碑。

电子工业正艰难应对摩尔定律的放缓。摩尔定律认为，一个硅处理器上可封装的晶体管数量大约每隔几年就会翻一番。这一趋势正面临着它的物理极限:随着设备的尺寸缩小到几个原子，电流开始从穿梭于晶体管之间的金属通道中泄漏出来。释放出来的热量会降低半导体的能量效率，甚至可能导致它们失效。

碳纳米管可能是完美的解决方案。纳米晶体管的速度不仅比硅晶体管快，研究还发现，由纳米管制成的芯片的能效可高达硅晶体管的10倍。这种效率的提高可以显著延长电子产品的电池寿命。

几十年来，研究人员一直在研究硅晶体管的替代者，但制造上的难题让这些处理器一直困在研究实验室里。麻省理工学院研究小组在《自然》杂志上发表的论文中表示，他们已经找到了一些方法来克服大规模生产的最大障碍。

问题

第一个问题：当碳纳米管被制造出来的时候，它们是两种类型混合在一起的产物。第一种是半导体，非常适合制造集成电路，但是第二种像导线一样传导电流，这会消耗更多的能量，甚至会破坏电路的性能。为了使芯片具有经济可行性，需要一种成本效益高的方法来尽量减少后者的影响。

另一个问题是：为了制造这种芯片，需要在晶片上沉积一层均匀的单分子碳纳米管。但事实证明这很难做到，因为纳米管有一种很讨厌的聚集趋势。只要它们中的一束落在晶体管上就能使晶体管停止工作。

这些挑战引起了麻省理工学院教授Max Shulaker的兴趣，并从美国国防高级项目研究局获得了开发纳米管技术的资金。

他领导的研究小组已经开发出一种16位微处理器，这种微处理器由14000多个碳纳米晶体管组成，Shulaker称这是迄今为止展示过的最复杂的微处理器。并且该技术可以用制造传统硅芯片的设备来实现，这意味着如果芯片制造商想要制造纳米管处理器，就不必再投资昂贵的新设备。

当他们研究碳纳米晶体管的混合问题时，研究人员发现，某些逻辑门是数字电路的基本组成部分，它们比其他类型的纳米管更能抵抗金属类纳米管引发的问题。这促使他们开发了一种新的电路设计，优先考虑这些门，同时尽量减少使用更敏感的金属门。

为了解决捆绑问题，他们在晶片上涂上一层聚合物，然后分阶段仔细清洗。这将纳米管团块剥离，并留下了要使芯片工作效率最高所需的单层。

前方的路

麻省理工学院的研究人员使用这些技术制造的芯片能够运行一个简单的程序，产生“Hello，World”的信息。但如果它们要取代硅处理器，碳纳米管芯片最终将需要数十亿个晶体管，才能运行当前先进的软件。

IBM几年前曾表示，希望到2020年碳纳米管芯片能够取代硅纳米管芯片。目前，该公司也在研究与这项技术有关的项目。但到目前为止，这些努力都未能找到将实验室的研究突破转化为实际制造的方法。但新的进展使实现这一目标的道路更加清晰。