MIT和ADI公司的研究人員們創(chuàng)造了第一個(gè)完全可編程的16位碳納米管微處理器。它是迄今基于碳納米管的CMOS邏輯最復(fù)雜的集成，擁有14000多個(gè)晶體管，基于RISC-V架構(gòu)，可執(zhí)行與商用微處理器相同的任務(wù)。在測(cè)試中，它還執(zhí)行了經(jīng)典的“Hello World程序”：該芯片名為RV16X-NANO，70多頁(yè)的制作工藝細(xì)節(jié)均在《Nature》上發(fā)表。

論文共同作者M(jìn)ax M.Shulaker表示，這是迄今為止由新興納米技術(shù)制成的最先進(jìn)的芯片，有望用于高性能和高能效計(jì)算。研究人員認(rèn)為，這一芯片的設(shè)計(jì)和制造采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為超越硅的電子學(xué)指明了一個(gè)富有前景的發(fā)展方向。研究人員們現(xiàn)已開(kāi)始將這些制造工藝應(yīng)用在硅芯片制造廠(chǎng)中，該研究由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助。關(guān)于碳納米管芯片的上市時(shí)間，Shulaker表示，可能在五年內(nèi)。

在摩爾定律趨緩的壓力中，研究人員一直在探索芯片設(shè)計(jì)和制造的新可能。其中，碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CNFET）正是代替硅材料的首選，有望給芯片設(shè)計(jì)帶來(lái)新的革命。和硅相比，CNFET很容易地制成具有密集3D互連的多層，可將能效提升10倍，速度功耗都表現(xiàn)更好。研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬碳納米管對(duì)邏輯門(mén)的不同配對(duì)有不同的影響。

例如，A門(mén)中的一個(gè)金屬碳納米管可能會(huì)破壞A和B之間的連接，但B門(mén)中的幾個(gè)金屬碳納米管可能不會(huì)影響A和B之間的任何連接。經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，所有不同的柵極組合對(duì)任何金屬碳納米管都是穩(wěn)健的，而對(duì)任何金屬碳納米管都不具有魯棒性?？紤]到某些邏輯運(yùn)算對(duì)金屬納米管的敏感度，MIT研究團(tuán)隊(duì)修改了開(kāi)源RISC設(shè)計(jì)工具，定制了一個(gè)芯片設(shè)計(jì)程序，自動(dòng)學(xué)習(xí)最不受金屬碳納米管影響的組合。

在芯片設(shè)計(jì)時(shí)，程序只利用穩(wěn)健的組合，而忽略脆弱的組合，使得芯片中沒(méi)有對(duì)金屬碳納米管最敏感的柵極。RV16X-NANO芯片包含超過(guò)14000個(gè)晶體管，碳納米管產(chǎn)率為100%；采用RISC-V架構(gòu)指令集，能處理16位數(shù)據(jù)和32位指令，可完成與商用微處理器相同的任務(wù)。不過(guò)，CNFET還存著一系列亟待跨越的難關(guān)，比如在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，往往存在許多影響性能的缺陷。

MIT團(tuán)隊(duì)研發(fā)的芯片則在一定程度上解決了這些問(wèn)題。其微處理器是在上一個(gè)版本的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，上一版本設(shè)計(jì)于六年前，只有178個(gè)碳納米管，可執(zhí)行1bit數(shù)據(jù)。那時(shí)研究人員們就開(kāi)始著手解決生產(chǎn)這種設(shè)備的三個(gè)具體挑戰(zhàn)：材料問(wèn)題、制作問(wèn)題、功能問(wèn)題。碳納米管需提純至99.999999％，當(dāng)前技術(shù)條件很難實(shí)現(xiàn)。

MIT研究人員提出一種叫DREAM（an acronym for “designing resiliency against metallic CNTs”）的技術(shù)，將碳納米管的純度要求降低降低了約4個(gè)數(shù)量級(jí)，即1萬(wàn)倍。也就是說(shuō)，純度達(dá)99.99%即可制作芯片，當(dāng)前技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)的。至今將納米管放置在特定精確位置的方法尚未被掌握，此前研究人員們常分別制作。但這一過(guò)程會(huì)致使大量碳納米管隨機(jī)聚集在一起，并且其中會(huì)混入一些金屬納米管。

針對(duì)排列混亂問(wèn)題，研究人員們制造了一個(gè)超大硅表面，可以保證碳納米管在金屬間隙生長(zhǎng)。為了去除聚集體，他們發(fā)明了一種名為RINSE的方法，即通過(guò)選擇性剝離的方法移除生長(zhǎng)的碳納米管。他們預(yù)先在晶片上涂抹一種試劑，以加強(qiáng)碳納米管的貼附能力，把碳納米管放上后，用某種特定聚合物包裹晶片，然后將其侵入某種溶劑，將聚集體帶走，單個(gè)碳納米管仍然粘在晶片上。

這樣一來(lái)，他們就能將納米管精確限制在定位區(qū)域。和類(lèi)似方法相比，這種技術(shù)可以將芯片上的顆粒密度降低250倍。

二進(jìn)制計(jì)算需要兩種晶體管：P型和N型。P型或N型半導(dǎo)體在硅中通常通過(guò)摻雜少量其他元素實(shí)現(xiàn)，但碳納米管很小，這種摻雜替代的方式對(duì)碳納米管不起作用。對(duì)此，MIT研究人員研發(fā)一種名為MIXED（金屬表面工程與靜電摻雜交叉）的技術(shù)，以精準(zhǔn)地調(diào)整、優(yōu)化晶體管的功能。

研究人員將金屬氧化物附著在晶體管上，采用原子層沉積技術(shù)，根據(jù)需要操縱層的確切成分，將納米管轉(zhuǎn)化為P型或N型。MIXED是一種低溫工藝，因此晶體管可以構(gòu)建在其他電路層之上而不會(huì)損壞它們。事實(shí)上，RV16X-NANO中的晶體管內(nèi)置于為晶體管提供電源的一層互連和另一層將晶體管連接到邏輯門(mén)和更大系統(tǒng)的層之間。

工程師對(duì)這方案相當(dāng)感興趣，它能釋放空間，實(shí)現(xiàn)性能更好或更小的系統(tǒng)，但由于加工溫度高，這一方案在硅中很難實(shí)現(xiàn)。RV16X-NANO芯片還存在不足之處。其晶體管通道長(zhǎng)度約為1.5微米，相當(dāng)于1985年推出的硅處理器Intel 80386。80386的運(yùn)行頻率為16MHz，而碳納米管芯片最大頻率只有1MHz，這一差異源于電子元件的電容以及晶體管可承載電流的能力。

經(jīng)證明，碳納米管的通道長(zhǎng)度可以縮小到5nm。將每個(gè)通道中納米管的密度從每微米10個(gè)增加到每微米500個(gè)。對(duì)于隨機(jī)分布的納米管網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)密度可能有上限，但新沉積技術(shù)可將這種網(wǎng)絡(luò)的電流密度提升至1.7mA/μm 。從而減小源極和漏極的寬度，使電極更快地充電和放電。近些年，碳納米管一直被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界寄予厚望，期望它能成為硅的完美替代者，為芯片設(shè)計(jì)界掀起新的風(fēng)暴。

從理論上講，這種材料的制造速度和能耗均遠(yuǎn)優(yōu)于硅芯片。在應(yīng)用方面，除了可以用在常見(jiàn)的筆記本、手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上，微處理器還可能探索更新的應(yīng)用方向，比如可注射入體內(nèi)的微型芯片、殺死人體內(nèi)癌細(xì)胞的納米機(jī)器等。目前碳納米管在分類(lèi)、加工、排序、觸頭等方面還多有局限，如果能如Shulaker所言，碳納米管芯片在五年內(nèi)上市，那勢(shì)必將會(huì)給全球半導(dǎo)體領(lǐng)域帶了新的創(chuàng)新風(fēng)潮。