Ordinateur à nanotubes de carbone mis à l'échelle

Pendant de nombreuses décennies, les progrès de l'électronique ont été motivés par une réduction progressive de la taille des transistors en silicium (commutateurs électroniques). Cependant, cette mise à l'échelle devient de plus en plus difficile et génère maintenant des rendements décroissants. Les transistors basés sur des nanotubes de carbone semi-conducteurs sont clairement placés pour remplacer les transistors en silicium dans les dispositifs microélectroniques avancés. Cependant, les imperfections inhérentes aux nanotubes de carbone et les difficultés liées à la manipulation de ces objets minuscules ont empêché leur utilisation dans des applications microélectroniques réelles. , Collines et al. signale une avancée majeure dans ce domaine: un ordinateur 16 bits entièrement construit à partir de transistors en nanotubes de carbone.

Pour atteindre ce jalon, les auteurs devaient développer une technologie viable de nanotubes et transistors fournissant deux types de transistors: les semi-conducteurs métal-oxyde de type p (PMOS) et les semi-conducteurs métal-oxyde de type n (NMOS). En électronique numérique, un calcul est divisé en une séquence d'opérations élémentaires (logiques) effectuées par des composants appelés circuits logiques. La conception actuelle de ces circuits dans l'industrie électronique repose sur la technologie CMOS (métal-oxyde-semi-conducteur) complémentaire, qui nécessite à la fois des transistors PMOS et NMOS.

Un transistor PMOS (ou NMOS) est activé lorsqu'une tension négative (ou positive) est appliquée à une électrode connue sous le nom de grille. Cette électrode contrôle la conductivité du canal (ici constitué de nanotubes de carbone) entre deux autres électrodes (la source et le drain). Lorsqu'un transistor PMOS et un transistor NMOS sont interconnectés en série, il en résulte un élément appelé inverseur (Fig. 1). Si une tension faible est appliquée à un tel onduleur, la tension de sortie sera élevée et inversement. Cet élément est l’ingrédient de base de tous les circuits logiques utilisés dans l’ordinateur de Hills et ses collègues.

Les auteurs ont fabriqué leurs transistors en formant un réseau de nanotubes semi-conducteurs de haute pureté (99,99%) répartis au hasard sur un substrat. Le processus de formation s'apparente à verser un bol de spaghettis cuits sur une surface, puis à retirer tous les fils qui ne sont pas en contact direct avec la surface. Le résultat est un substrat recouvert d'une couche de nanotubes orientés de manière aléatoire.

Les collines et al. puis déposé du métal sur les nanotubes pour les connecter à la source et au drain. Le travail de travail de ce métal (l'énergie nécessaire pour retirer un électron de sa surface) dépendait du fait que le dispositif soit un transistor PMOS ou un transistor NMOS. Les auteurs ont recouvert le reste de chaque nanotube de matériaux à base d’oxydes soigneusement sélectionnés et équilibrés, afin d’isoler les nanotubes de leur environnement et d’ajuster leurs propriétés. En principe, le substrat n'a pas besoin d'être en silicium; il doit simplement être plat. De plus, le traitement a lieu à des températures relativement basses (environ 200 à 325 ° C), de sorte qu'un empilement de couches fonctionnelles supplémentaires serait facilement possible.

La conception informatique contemporaine est basée sur des bibliothèques de cellules standard – des ensembles d'opérations logiques pouvant être interconnectés pour une plus grande fonctionnalité. Hills et ses collègues ont mis au point toutes les cellules standard requises pour réaliser l’architecture de leur ordinateur à l’aide d’outils de conception conventionnels disponibles dans le commerce. Les nanotubes semi-conducteurs ayant une pureté de 99,99%, environ 0,01% d'entre eux étaient métalliques (non semi-conducteurs) et auraient pu compromettre les circuits. Cependant, certaines combinaisons de cellules standard sont plus vulnérables que d'autres à la présence de nanotubes métalliques. Les auteurs ont donc appliqué des règles de conception modifiées excluant de telles combinaisons vulnérables. Equipés de ces outils, ils ont pu concevoir, fabriquer et tester leur ordinateur en le laissant exécuter «Hello, World» – un programme simple qui affiche le message «Hello, World» lorsqu’il est exécuté.

L’ordinateur à nanotubes de Hills et ses collègues est basé sur la technologie CMOS. Il exécute des instructions 32 bits sur des données 16 bits et dispose d’une longueur de canal de transistor d’environ 1,5 micromètre. Il peut donc être comparé au processeur Intel 80386 à base de silicium, introduit en 1985 et présentant des spécifications similaires. Le début de 80386 pouvait traiter ses instructions à une fréquence de 16 MHz (voir), alors que l'ordinateur à nanotubes avait une fréquence de traitement maximale d'environ 1 MHz. La raison de cette différence réside dans les capacités (capacités de stockage de charge) des composants électroniques et dans la quantité de courant que le plus petit transistor peut délivrer.

La logique numérique consiste simplement à charger et à décharger les grilles du transistor et les interconnexions. La vitesse de charge et de décharge dépend de la quantité de courant qu'un transistor peut fournir, qui est liée à la largeur et à la longueur du transistor. Un transistor au silicium bien conçu peut fournir environ un milliampère de courant par micromètre de largeur (1 mA µm).⁻¹) (voir). En revanche, les transistors à nanotubes typiques utilisés par Hills et al. peut fournir seulement environ 6 µA µm⁻¹. C’est la principale caractéristique à améliorer dans les futures versions de l’ordinateur.

La première étape pour augmenter le courant électrique consiste à réduire la longueur du canal du transistor. Cela a déjà été démontré que les longueurs de canal des transistors à nanotubes puissent être réduites à 5 nm. La deuxième étape consiste à augmenter la densité de nanotubes dans chaque canal de 10 nanotubes par micromètre à 500 nanotubes par micromètre. Pour ces réseaux de nanotubes distribués au hasard, il pourrait y avoir une limite supérieure à la densité pouvant être atteinte, mais une technique de dépôt a été montrée augmenter le courant dans de tels réseaux à 1,7 mA µm⁻¹. La troisième étape consiste à diminuer la largeur des transistors, et donc les largeurs de la source et du drain, ce qui permettrait à ces électrodes d'être chargées et déchargées plus rapidement.. Ces transistors à échelle réduite sont essentiels pour la technologie CMOS à base de nanotubes fonctionnant à des fréquences en gigahertz.

Les réalisations de Hills et de ses collègues reposent sur la moyenne des performances de plusieurs nanotubes dans chaque canal de transistor. Dans l'ordinateur à nanotubes à grande échelle du futur lointain, les transistors PMOS et NMOS ne contiendront qu'un nanotube. Ces nanotubes devront être semi-conducteurs: aucune astuce de conception ne constituera une solution de contournement si l'un des deux nanotubes d'un inverseur est métallique.

Le travail des auteurs est une grande réalisation qui touche de nombreux sujets de recherche – de la science des matériaux à la technologie de traitement, de la conception de circuits aux tests électriques. Cependant, des efforts supplémentaires sont nécessaires avant que l'équipe ait besoin d'un service des ventes.