Forscher am MIT haben einen Mikroprozessor auf Basis von Carbon-Nanotube-FETs entwickelt, der herkömmliche Herstellungs-Prozesse der Siliziumtechnologie nutzt. (Bild: Felice Frankel)
CNFETs (Carbon Nanotube Field Effect Transistor) gelten allgemein als schnellere, umweltfreundlichere Alternative zu ihren traditionellen Silizium-Pendants. Sie sollen das Zehnfache an Energieeffizienz und weitaus höhere Geschwindigkeiten im Vergleich zu Silizium-Schaltkreisen bieten. Allerdings CNFETs bei hochskalierter Herstellung bisher noch viele Mängel auf, die ihre Leistungsfähigkeit einschränken. Diese Defekte wollen die Forscher am MIT nun soweit in den Griff bekommen haben, dass eine vollständige Funktionskontrolle bei der Herstellung möglich ist und sich der Prozessor in herkömmlichen Halbleiter-Foundries herstellen lässt.
Der Prozessor mit mehr als 14.000 CNFETS basiert auf der Open-Source-ISA RISC-V. Gerade mit Hinblick auf das Ende des Mooreschen Gesetzes sind Prozessoren auf CNFET-Basis für die Fortführung der Entwicklung von Schaltkreisen für leistungsstarkes und energieeffizientes Computing vielversprechend. Bei der Entwicklung von Schaltkreisen mit Carbon-Nanotubes (CNT) gibt es drei spezifische Herausforderungen: Materialfehler, Fertigungsfehler und funktionale Probleme. Im Idealfall benötigen CNFETs halbleitende Eigenschaften, um ihre Leitfähigkeit ensprechend den Bits 1 und 0 ein- und auszuschalten. Es ist aber unvermeidlich, dass ein kleiner Teil der CNTs in metallischer Konfiguration vorliegt, was den Transistor verlangsamt und stoppt.
Um gegenüber diesen Ausfällen robust zu sein, benötigen aktuelle Schaltungen CNTs mit einer Reinheit von etwa 99,999999 Prozent, was heute praktisch unmöglich zu produzieren ist. Die Forscher am MIT entwickelten eine Technologie namens Dream (Design Resilency against metallic CNTs), die metallische CNTs so positioniert, dass sie die Datenverarbeitung nicht stören. Damit wird das strenge Reinheitsgebot um etwa vier Größenordnungen auf 99,99 Prozent gesenkt, was aktuell herstellbar ist.
Anhand von Simulationen wurden beim Chipdesign Gate-Kombinationen gefunden, die besonders robust gegenüber metallischen CNTs sind. Diese kommen dann beim Entwurf des neuen Chips zum Einsatz. Noch ist unklar, wann die ersten Prozessoren auf CNFET-Basis am Markt ankommen, aber die MIT-Forscher sind optimistisch, dass dies schon in weniger als fünf Jahren der Fall sein könnte. Die Entwicklung wurde unterstützt von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Analog Devices, der Nataional Science Foundation und dem Air Force Research Laboratory.
(na)
