Grafen. Naukowcy stworzyli 16‑bitowy procesor RISC-V z nanorurek węglowych. Co potrafi?

Od dawna wiadomo, że potencjał stosowanego do wytwarzania układów scalonych krzemu prędzej czy później się wyczerpie. Teoretycznie średnica atomu krzemu to około 0,23 nm, ale chyba nikt nie wyobraża sobie wykonania tranzystora, czyli konstrukcji złożonej, z dosłownie paru atomów. Siłą rzeczy pojawiają się pomysły alternatywne.

Prawdopodobnie najbliższa realizacji jest koncepcja nanorurki węglowej, walca o średnicy 1 nm zwiniętego z grafenu. To naturalny półprzewodnik, cechujący się świetnymi właściwościami elektrycznymi i mikroskopijnym wymiarem. Pomysł już na początku lat 90. XX wieku opisał japoński fizyk Sumio Iijima, pracujący dla NEC Corporation. Problemem, jak to często bywa w takich przypadkach, okazało się praktyczne wdrożenie.

W odróżnieniu od układów krzemowych, nanorurek nie tworzy się w procesie fotolitografii, naświetlając materiał laserem. Są natomiast hodowane, trochę analogicznie do kryształów. Łatwo zauważyć, że struktura powstająca w ten sposób cechuje się dużą nieprzewidywalnością. Rodzi się pytanie, jak hodować nanorurki tam, gdzie są potrzebne i jak nimi manipulować.

Zespołowi badaczy z MIT i firmy Analog Devices udało się obejść pewną część problemów. Stworzyli z nanorurek węglowych procesor RISC-V, który obsługuje instrukcje 32-bitowe i ma 16-bitowe adresowanie pamięci. Wydajność tej jednostki można przemilczeć. Sukces stanowi odpalenie demka "Hello World". Nie wszystkie zastosowane rozwiązania są przy tym krokiem naprzód. Wiele to sztuka kompromisu. Raczej nie przełoży się to na powstanie w najbliższym czasie układu wysokowydajnego. Niemniej świat nauki ma powód do dumy.

Technicznie rzecz ujmując, liczba problemów z nanorurkami jest ogromna. Wspominałem o charakterystyce półprzewodnika, prawda? Część wyhodowanych nanorurek cechuje się jednak przewodnictwem metalicznym. Teoretycznie możliwe jest oczyszczenie struktury do 99,9 proc. w skali Plato, ale przy milionach nanorurek niezbędnych do wykonania procesora to zajęcie niezwykle żmudne i niemalże niewykonalne. Jednocześnie nanorurki nie tworzą naturalnie ani przewodnictwa dziurowego, ani elektronowego. Krzem jest w takich sytuacjach domieszkowany, a pojedyncze nanorurki są zbyt mikroskopijne, aby zastosować ten sam zabieg.

Mało tego, jak już wspominałem, lokalizacja nanorurek cechuje się kompletną nieprzewidywalnością, procesor musi zaś z oczywistych przyczyn być układem uporządkowanym. Nie istnieje metoda pozwalająca hodować całe struktury z nanorurkami w konkretnych miejscach, więc muszą być hodowane osobno, a następnie osadzane na powierzchniach. Tylko, to wciąż dalekie od perfekcji. Wciąż pojawiają się cienkie warstwy nanorurek zorientowanych losowo, z pojedynczymi sztukami o przewodnictwie metalicznym, które uniemożliwiają funkcjonowanie procesora jako całości.

Badacze uznali, że nie będą walczyć z chaosem, ale go zaakceptują. Zamiast próbować umieszczać pojedyncze rurki w każdym miejscu, w którym są potrzebne, stworzyli cieniutką krzemową podkładkę o cechach metalicznych, pełniącą niejako rolę szablonu. Następnie agregaty rozbito ultradźwiękami, a zbędne nanorurki zostały po prostu wytrawione. W narzuceniu rodzaju przewodnictwa poszczególnych połączeń pomogła warstwa tlenków.

Ale na tym nie koniec. Z nanorurkami jest jeszcze jeden, może nawet większy problem. Na chwilę obecną nauka nie potrafi zbudować z nich wszystkich znanych bramek logicznych. Tymczasem te, jak wiadomo, w układach cyfrowych stanowią absolutną podstawę. Nawet tak prosta czynność jak dodawanie dwóch liczb musi mieć reprezentację logiczną (0 lub 1). Efektywnie, składa się ze zbioru bramek. Przy czym mogą to być na przykład bramki AND i NOR, albo NOT i NAND.

Naukowcy przerobili model programowy RISC-V tak, aby wykonywać podstawowe instrukcje wyłącznie z użyciem bramek dostępnych dla nanorurek. Zbiór 14 tys. takich bramek w połączeniu ze specjalnie dostosowanym ISA dał im 16-bitowy, w pełni funkcjonalny czip RV16X-NANO. Co ten sprzęt potrafi? – zapytacie. Jego wydajność przy taktowaniu 10 kHz nikomu czapki z głowy nie zerwie, ale z definicji to kompletny procesor. Jednostki funkcjonalne obejmują pobieranie, dekodowanie, rejestry, wykonanie i zapis wyniku do pamięci. Wspominałem, że udało się odpalić "Hello World".

Patrząc na ogrom zastosowanych uproszczeń i końcową wydajność, która jest niższa niż w przypadku poczciwego 8086, trudno tu mówić o rewolucji. O ile nie nastąpi jakiś przełom, krzem jeszcze przez co najmniej dekadę pozostanie materiałem wiodącym w elektronice. Natomiast, co by nie mówić, RV16X-NANO to dobry punkt wyjścia do dalszych badań nad nanorurkami węglowymi.

Sami autorzy projektu podsuwają kilka ścieżek dalszego rozwoju. Jak podają, taktowanie jest zależne od odległości między kontaktami w krzemowej podkładce i będą na tym pracować, dążąc stale do celu definitywnego – wykonania całego tranzystora z jednej nanorurki, co jednak przy obecnej wiedzy brzmi niczym pomysł szaleńca. Ale przecież właśnie ludziom postrzeganym za szaleńców często zawdzięczamy największy postęp. Cóż, pozostaje trzymać kciuki.