소개
배경
트랜지스터는 현대 인류 역사상 가장 위대한 발명품 중 하나입니다. 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 하드웨어 등과 같은 현대 전자 장치는 트랜지스터와 분리될 수 없습니다. 집적회로 기술이 등장한 이후 손톱만한 크기의 칩에 수많은 트랜지스터를 담을 수 있게 됐다. 이러한 종류의 트랜지스터는 소스, 드레인, 그 사이의 게이트로 구성되며, 소스에서 드레인으로 전류가 흐르며, 게이트는 전류 스위치를 제어하는 역할을 합니다.
유명한 무어의 법칙에 따르면 "가격이 변하지 않으면 집적 회로에 수용할 수 있는 트랜지스터 수가 약 18개월마다 두 배로 늘어나고 성능도 두 배로 늘어납니다." 무어의 법칙에 따라 트랜지스터의 크기는 지속적으로 줄어들고, 단일 칩에 집적되는 트랜지스터의 수는 증가하여 점점 더 복잡한 작업을 수행할 수 있게 되었습니다.
그러나 최근 무어의 법칙은 심각한 도전에 직면해 있다. 전통적인 트랜지스터는 주로 실리콘 소재로 만들어졌습니다. 실리콘 트랜지스터의 경우 7나노미터가 물리적 한계입니다. 실리콘 트랜지스터가 이 수치 아래로 떨어지면, 전자는 "양자 터널링"으로 인해 더 이상 옴의 법칙을 따르지 않으며, 그렇지 않으면 뚫을 수 없는 장벽을 넘습니다. 이로 인해 집적 회로에 누출이 발생하여 트랜지스터를 신뢰할 수 없게 됩니다.
위의 문제를 해결하고 무어의 법칙이 계속해서 생명력과 생명력을 발산할 수 있도록 산업계와 과학계의 식견 있는 사람들이 적극적으로 새로운 소재를 찾기 시작했다. 실리콘을 대체하고 더 큰 크기의 제품을 생산하기 위해 더 작고 더 나은 성능을 발휘하며 더 적은 전력을 소비하는 차세대 트랜지스터입니다.
예를 들어 저자는 미국 로렌스 버클리 국립연구소가 탄소나노튜브와 이황화몰리브덴을 이용해 트랜지스터 공정이 1나노미터에 불과한 세계에서 가장 작은 트랜지스터를 개발했다고 소개한 적이 있다.
또 다른 예로, 캐나다 맥길대학교와 몬트리올대학교의 연구에 따르면 흑린은 트랜지스터에 매우 좋은 후보 물질이 될 것으로 예상됩니다. 또한 그래핀, 육각형 질화붕소, 이셀레나이드 텅스텐 등과 같은 다른 2차원 재료를 사용하여 새로운 트랜지스터를 만들 수 있습니다.
CNFET(탄소 나노튜브 전계 효과 트랜지스터)를 만드는 것은 차세대 컴퓨터를 만드는 주요 목표 중 하나가 되었습니다. 연구에 따르면 CNFET는 실리콘보다 에너지 효율이 10배 더 높으며 더 빠르게 작동할 수 있습니다. 그러나 이러한 트랜지스터는 성능에 영향을 미치는 결함이 많아 대량 생산에 적합하지 않은 경우가 많습니다.
마이크로프로세서는 마이크로프로세서가 실행할 수 있는 명령 세트가 있는 RISC-V 오픈 소스 칩 아키텍처를 기반으로 합니다. 연구진이 설계한 마이크로프로세서는 전체 명령어 세트를 정확하게 실행할 수 있을 뿐만 아니라 고전적인 "Hello, World!" 프로그램의 수정된 버전을 실행하여 "Hello, World! 저는 CNT로 만든 RV16XNano입니다. (Hello, world!) ! 저는 탄소나노튜브로 만든 RV16XNano 입니다.)"
마이크로시스템즈 기술 연구소(Microsystems Technology Laboratory) 회원이자 논문의 공동 저자인 EECS(전기공학 및 계산과학과) 조교수인 Max M. Shulaker는 다음과 같이 말했습니다. 고성능 및 에너지 효율적인 컴퓨팅을 약속하는 칩. 실리콘에는 한계가 있으므로 컴퓨팅 분야에서 계속 발전하려면 탄소 나노튜브가 이를 극복할 수 있는 가장 유망한 방법 중 하나입니다. . 탄소 나노튜브로 칩을 만드는 방식에 혁명을 일으키고 있습니다."
이 마이크로프로세서는 버전이 178에 불과했던 6년 전 Shulaker와 다른 연구자들이 설계한 반복을 기반으로 개발되었습니다. 단일 비트 데이터. 그 이후로 MIT의 Shulaker와 그의 동료들은 탄소 나노튜브 마이크로프로세서 제조에 있어서 재료 결함, 제조 결함 및 기능 문제라는 세 가지 고유한 과제를 해결했습니다. Gage Hills는 대부분의 프로세서 설계를 담당했고 Christian Lau는 대부분의 제조를 담당했습니다.
Shulaker는 탄소 나노튜브의 고유한 결함이 수년 동안 이 분야의 "골칫거리"였다고 말했습니다.
이상적으로 CNFET에는 전도성을 켜거나 끄는 반도체 특성이 필요하며, 이는 비트가 각각 1 또는 0에 해당합니다. 그러나 필연적으로 탄소 나노튜브의 작은 부분이 금속이 되어 트랜지스터의 전환이 느려지거나 방해됩니다. 이러한 오류를 방지하려면 고급 회로에 99.999999% 순도의 탄소 나노튜브가 필요하며 이는 현재 생산이 거의 불가능합니다.
연구진은 DREAM("금속 CNT에 대한 복원력 설계"의 약자)이라는 기술을 제안했습니다. 이 기술은 계산을 방해하지 않는 방식으로 금속 CNFET를 배치합니다. 그 과정에서 엄격한 순도 요건을 4배, 즉 10,000배 완화했는데, 이는 현재 생산할 수 있는 순도 99.99%의 탄소나노튜브만 필요하다는 뜻이다.
기본적으로 회로를 설계하려면 문자를 단어로 연결하는 것처럼 덧셈기와 곱셈기를 만들기 위해 함께 결합할 수 있는 트랜지스터에 연결된 다양한 논리 게이트 라이브러리가 필요합니다. 연구진은 금속 탄소 나노튜브가 이러한 논리 게이트의 다양한 조합에 서로 다르게 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어, 논리 게이트 A의 단일 금속 탄소 나노튜브는 논리 게이트 A와 논리 게이트 B 사이의 연결을 방해할 수 있습니다. 그러나 논리 게이트 B의 몇몇 금속 탄소 나노튜브는 연결에 영향을 미치지 않습니다.
칩 설계에는 회로에 코드를 구현하는 방법이 많이 있습니다. 연구원들은 금속 탄소 나노튜브에 대해 "강건"하거나 "비강건"할 수 있는 모든 다양한 논리 게이트 조합을 찾기 위해 시뮬레이션을 실행했습니다. 그런 다음 그들은 금속 탄소 나노튜브에 의해 영향을 받을 가능성이 가장 적은 조합을 자동으로 찾는 칩 설계 프로그램을 사용자 정의했습니다. 새로운 유형의 칩을 설계할 때 프로그램은 "강력한" 조합만 활용하고 취약한 조합은 무시합니다.
Shulaker는 "'DREAM'이라는 말장난은 매우 바람직한 솔루션이기 때문에 완벽하게 이해됩니다."라고 Shulaker는 말했습니다. "이 접근 방식을 통해 우리는 기성 탄소 나노튜브를 구입하여 웨이퍼에 올려 놓을 수 있습니다. 특별한 작업을 수행하지 않고 평소대로 회로를 구성합니다. ”
CNFET 제조는 미리 설계된 트랜지스터 구조의 웨이퍼에 용액에 탄소 나노튜브를 증착하는 것으로 시작됩니다. 그러나 일부 탄소 나노튜브는 필연적으로 무작위로 서로 달라붙어 작은 공 모양의 스파게티 꼬치처럼 큰 묶음을 형성하여 칩에 큰 오염 입자를 생성합니다.
이 오염물질을 제거하기 위해 연구진은 RINSE(선택적 박리를 통해 배양된 나노튜브 제거, 배양된 나노튜브를 제거하기 위해 선택적 박리를 사용) 기술을 발명했습니다. 웨이퍼는 탄소 나노튜브의 결합을 촉진하는 물질로 전처리됩니다. 그런 다음 웨이퍼를 특정 폴리머로 코팅하고 특수 용매에 담급니다. 이는 폴리머를 씻어내며 큰 탄소 나노튜브 묶음만 운반하고 개별 탄소 나노튜브는 웨이퍼에 달라붙어 남아 있습니다. 이 기술은 다른 유사한 방법에 비해 칩의 입자 밀도를 약 250배 감소시킵니다.
마지막으로 연구원들은 CNFET의 일반적인 기능 문제를 해결했습니다. 바이너리 컴퓨팅에는 두 가지 유형의 트랜지스터가 필요합니다. "N"형 트랜지스터는 켜져서 비트 1을 나타내고 "P"형 트랜지스터는 그 반대입니다. 전통적으로 탄소 나노튜브로 두 가지 유형의 트랜지스터를 만드는 것은 종종 다양한 특성을 갖는 트랜지스터를 만들기 때문에 매우 어려운 작업이었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구진은 트랜지스터의 기능과 최적화를 정밀하게 조정할 수 있는 MIXED(정전기 도핑과 결합된 금속 인터페이스 엔지니어링)라는 기술을 개발했습니다.
이 기술에서는 각 트랜지스터에 특정 금속(백금 또는 티타늄)을 부착하여 트랜지스터를 P 또는 N으로 고정할 수 있습니다.
그런 다음 원자층 증착을 통해 산화물 화합물에 CNFET를 코팅하여 특정 응용 분야의 요구 사항을 충족하도록 트랜지스터의 특성을 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 서버에는 빠르게 실행되지만 많은 전력을 소비하는 트랜지스터가 필요한 경우가 많습니다. 반면에 웨어러블 장치와 의료용 임플란트에는 더 느리고 저전력 트랜지스터가 필요할 수 있습니다.
미래
그들의 주요 목표는 이 칩을 현실 세계로 가져오는 것입니다. 이를 위해 연구원들은 연구를 지원한 미국 국방고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency)의 프로젝트를 통해 제조 기술을 실리콘 칩 파운드리에 적용하기 시작했습니다. 탄소 나노튜브로만 만들어진 칩이 언제 출시될지는 아직 누구도 말할 수 없습니다. 그러나 Shulaker는 "5년 내에 일어날 수 있는 일입니다. 우리는 더 이상 여부의 문제가 아니라 단지 시기의 문제일 뿐이라고 생각합니다.
키워드
참고 자료
1Gage Hills 외 보완적인 탄소 나노튜브 트랜지스터로 제작된 최신 마이크로프로세서, Nature(2019).
2http://news.mit.edu/2019 /탄소-나노튜브-마이크로프로세서-0828