Все крупные производители чипов, в том числе и контрактные, на данный момент работают над грядущими технологиями производства. Сегодня чипы массово производятся по 7-нм техпроцессам. Впрочем, название техпроцесса по размеру транзистора не полностью отражает техническую реализацию, здесь следует смотреть на характеристики. В любом случае, плотность упаковки транзисторов бьет новые рекорды.
Но производители считают, что у нынешних кремниевых технологий есть предел. Об этом говорит, в частности TSMC, сейчас полупроводниковый гигант пытается выжать из кремниевых технологий максимум. Углеродные нанотрубки могут стать следующей технологией после кремния. В карбоновых нанотрубках расстояние между атомами составляет всего 1,2 нм. Углеродные нанотрубки - тоже полупроводники, но с очень хорошими электрическими свойствами, например, с высокой проводимостью при некоторых условиях.
Впрочем, использовать нанотрубки нелегко. Проблемы начинаются еще на этапе изготовления нанотрубок. Полупроводниковые технологии требуют идеально чистых производств и однородности материалов. Поэтому технологии на основе углеродных нанотрубок, будь то сфера полупроводников или инновационных материалов, остаются в экспериментальном состоянии.
Но ситуация меняется, пусть и медленно. Исследователям Массачусетского технологического института и компании Analog Devices удалось выпустить 32-битный процессор RISC-V с 16-битной системой памяти на основе углеродных нанотрубок. Впрочем, это не означает, что мы увидим данную технологию в обычных чипах в ближайшие годы. Но мы получаем первый большой шаг в направлении замены традиционных кремниевых технологий.
Основная проблема при производстве на основе углеродных нанотрубок касается чистоты. Пока удалось достичь уровня 99,9%, но для миллионов и миллиардов нанотрубок его все равно недостаточно. Здесь необходимо продолжать улучшать процессы выращивания нанотрубок. Еще одна проблема - хотя углеродные нанотрубки являются полупроводниками, легирование по P-и N-типу тоже проблематично из-за наноразмеров. Также углеродные нанотрубки не получается вырастить на чипе или подложке, их придется выращивать в другом месте, а затем переносить. Ориентация нанотрубок после переноса - еще одна проблема. Одинаково ориентировать несколько миллионов нанотрубок пока не получается, поэтому хаос частично остается.
Исследователи пока смирились с "кучей" углеродных нанотрубок, которые лежат рядом друг с другом как угодно или друг на друге. Отдельные нанотрубки контактируют с металлической подложкой, закрывая имеющиеся в металле зазоры. Затем наносится еще один слой для связывания лишних нанотрубок, лежащих сверху. Он затем удаляется с помощью ультразвука вместе с лишними нанотрубками, остается нижний слой. Следующий этап - травление участков с нанотрубками, чтобы они оставались только на нужных местах. Сверху нанотрубок добавляются разные оксидные слои, с разными металлами, которые позволяют превратить нанотрубки в полупроводники P- или N-типа. Затем добавляется еще один слой питания. В результате мы получаем 3D-чип, поскольку и по вертикальной оси имеются разные функциональные слои.
Получившийся чип RV16X-NANO может выполнять 32-битные инструкции архитектуры RISC-V. Также он оснащен 16-битным интерфейсом памяти. Процессор состоит из 14.000 транзисторов, выполненных из нанотрубок. Поскольку каждый транзистор на нанотрубках изготавливается фактически индивидуально, все 100% транзисторов рабочие.
Из-за сравнительного большого расстояния между нанотрубками, их длины, соответствующих длинных сигнальных дорожек на подложке и сочетания других факторов, тактовая частота чипа всего 10 кГц. Но, по крайней мере, программы на чипе запускать уже можно.
Проблемы для массового производства чипов на углеродных нанотрубках остаются весьма серьезными. Но возможность производства более-менее сложных чипов можно считать доказанной. Конечно, второе поколение процессоров EPYC с 39,54 млрд. транзисторов намного сложнее первого процессора RISC-V с 14 тысячами транзисторов на углеродных нанотрубках. И путь совершенствований и доработок весьма длительный. Следует решить проблемы ориентации и точного расположения нанотрубок, их длины и многие другие. На что потребуется еще несколько лет, как минимум.