首顆非硅芯片點亮，更快更省電的計算未來已在眼前_風聞
TechEdge科技边界-2019-08-29 23:16
納米碳管的起源以及在半導體的淵源
納米碳管起源於日本電氣公司(Nippon Electric Company, NEC)飯島澄男博士(Dr. S. Iijima)，其在1991年自然雜誌(Nature)發表了一篇高分辨率穿透式電子顯微鏡(High resolution transmission electron microscope,HRTEM)下電弧放電後石墨陰極沉積物中一些針狀物的影像，顯示出這些針狀物的結構是一種長形中空纖維，長約1um，直徑為4～30nm，由2～50個同心管構成。
目前納米碳管主要分成單壁(single-walled carbon nanotubes, SWNTs)與多壁(multi-walled carbon nanotubes, MWNTs)兩大類，其中單壁納米碳管的製程條件必須有較嚴苛的控制。這兩類的納米碳管在製造過程中也可能集結成束(bundle)，或依照R. E. Smalley首先提出的「繩(rope)」來稱呼。
至於納米碳管是怎麼和半導體產生關聯的？這要回到14年前，也就是在2005年時，Charles M. Lieber與其研究生Thomas Rueckes在位於哈佛大學的實驗室的計畫啓發，這兩位在實驗室中從事納米碳管電性和材料特性的測量工作。有天，他們想要向美國國防高等計畫研究署(DARPA)的分子電子學計畫申請經費，便決定以納米碳管應用在晶體管制造為題目，通過其彈性伸縮方向，來表現0與1的不同狀態，並以此概念向DARPA申請了經費，而DARPA也在一天之內核準。
理論上，該技術可以應用於高速緩存、內存等產品上，同時可以在斷電之後依然保存原本的記憶狀態，同時也能避免冷、熱以及磁力可能的傷害或干擾。
而在2016年，IBM的研究人員更找出一種能夠使用納米碳管制造芯片的方法，他們宣稱通過相關的技術製造出來的芯片，可以達到現有產品的10倍速度，而在最佳的狀況下，速度差距甚至可上看千倍。
IBM研發人員表示，該芯片具備不到10nm的通道作為開關，效率上遠比傳統硅芯片效率高。而在接觸點方面，芯片中的接觸點為電流至半導體通道間的控制閥，隨着晶體管的縮小，接觸點的電阻也會增加，隨之造成效能下滑。而IBM找出了克服了接觸阻抗的問題，在金屬電極與納米碳管之間形成一個高質量的接觸點，即使於更小的芯片上仍能保有效能，還能減少電力損耗。
目前納米碳管仍有許多限制需要突破
回到論文和芯片的研究結果，研究人員通過實際製造了基於納米碳管的芯片之後，發現其在電器特性上擁有絕佳的優勢，相較於傳統的硅半導體芯片，其實驗性芯片可以在三分之一的能耗表現下輸出達三倍的性能。
然而納米碳管仍有不少現在需要突破，首先，在製造納米碳管芯片時，通過沈積的方式在芯片底材上製造電路時，納米碳管會傾向於形成塊狀物堆積在一起，而很難讓電路形成。而研究人員通過直接將納米碳管材料散佈在芯片上，然後利用震動把多餘材料移開。
而另外一個問題是納米碳管本身的材料限制，由於研究人員使用的半導體納米碳管約含有0.01%的金屬納米管，而金屬材質無法在導電與絕緣之間進行轉換，也因此，這些不純的材質就會影響到晶體管的運作。
最終，研究人員克服了相關問題，並打造出一顆由14000的納米碳管晶體管制造而成的芯片，並在此芯片上執行了簡單程序，成功打印出Hello World！。而這個詞相信很多程序猿都非常瞭解，這是入門編程的第一個程序。
然而雖印證了納米碳管制造芯片的概念，但這個芯片仍遠遠還不能達到取代現有硅芯片的能力，除了晶體管尺寸還是遠大於傳統的硅芯片以外，其半導體切換速度也遠不如硅：硅芯片每秒可以切換數十億次，而納米碳管僅能達到百萬次的等級。
換言之，目前製作出來的納米碳管芯片，其性能約等於上世紀80年代的硅芯片。
隨着技術的進展，未來更小的納米碳管晶體管可以讓電力的流通更順暢，從而提高開關速度，同時，通過對納米碳管的佈局進一步的優化，而不是像現在實驗芯片採用的隨機網格，也可以進一步提高通過晶體管的電流，從而提高處理速度。