Ein Team um Max Shulaker am Massachusetts Institute of Technology hat einen 16-Bit-Mikroprozessor vorgestellt, der vollständig aus Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren besteht. Die Fachzeitschrift Nature veröffentlichte die Arbeit am 28. August 2019. Der Chip enthält mehr als 14.000 komplementäre CNFETs (Carbon Nanotube Field-Effect Transistors) und führt Befehle der offenen Architektur RISC-V aus.
Damit ist es erstmals gelungen, einen modernen Prozessor ohne Silizium-Transistoren zu bauen, der mit herkömmlichen Entwurfsabläufen und Fertigungsprozessen aus der Siliziumindustrie hergestellt wurde. Bisherige Nanoröhrchen-Chips scheiterten an Defekten und Streuungen im Material, die sich bei der Fertigung im großen Maßstab nicht kontrollieren ließen.
Reine Kohlenstoffnanoröhren lassen sich nicht perfekt sortieren
Das Grundproblem: Bei der Abscheidung entstehen neben halbleitenden auch metallische Nanoröhrchen, die Logikschaltungen stören. Silizium lässt sich hier deutlich präziser verarbeiten. Das Team entwickelte deshalb die Methode DREAM (Designing Resiliency Against Metallic CNTs), bei der metallische Transistoren so auf dem Chip platziert werden, dass sie die Berechnungen nicht stören. Zusammen mit einem Zwischenschritt, der zusammengeklumpte Nanoröhrchen wegwäscht, sank die erforderliche Reinheit des Materials um den Faktor 10.000 auf etwa 99,99 Prozent, wie das MIT mitteilte.
Der Prozessor verarbeitet 32-Bit-Befehle auf 16-Bit-Daten und Adressen und führte ein modifiziertes Hello-World-Programm aus, das den Text „Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs“ ausgab. CNFETs gelten seit Jahren als Kandidat für die Zeit nach dem Silizium: Studien schreiben ihnen gegenüber Siliziumtransistoren eine bis zu zehnmal bessere Energieeffizienz bei höheren Geschwindigkeiten zu.
Wegbereiter jenseits der Silizium-Strukturgrößen
Hintergrund ist die wachsende Leckrate immer kleinerer Siliziumtransistoren: Wenn Strukturen wenige Atome erreichen, entweicht Strom aus den Kanälen, die frei werdende Wärme senkt die Energieeffizienz und kann Bauelemente zerstören. Damit gerät die regelmäßige Verdopplung der Transistorzahlen, bekannt als Moores Gesetz, an physikalische Grenzen. Für Chiphersteller, die Prozessoren für Konsolen und Semi-Custom-Projekte fertigen, etwa über Aufträge an die 7-nm-Fertigung von TSMC, ist die Suche nach Nachfolgetechnologien deshalb langfristig relevant.
Das MIT-Team bringt seine Fertigungsverfahren inzwischen über ein Programm der Forschungsförderbehörde DARPA in eine Silizium-Foundry ein. Shulaker schätzte gegenüber dem MIT News Office, dass vollwertige Nanoröhrchen-Chips in weniger als fünf Jahren marktreif sein könnten. Die Nature-Publikation beschreibt neben dem Chip-Design auf 70 Seiten auch die zugrunde liegende Fertigungsmethodik.