碳纳米管晶体管(CNT)技术获突破!

科技   2024-12-17 22:01   安徽  

在本周举行的国际电子器件会议(IEDM)上,来自学术界和工业界的研究团队展示了碳纳米管晶体管(CNTs)和电路的最新研究进展。尽管碳纳米管技术从实验室到产品集成可能还需10年甚至更长时间,但工程师们普遍认为,该领域已取得巨大进步,未来将在低功耗、高性能计算领域发挥关键作用,进一步提升硅芯片的性能。

碳纳米管的直径约为一纳米,电子可以轻易穿过它们。自2016年研究人员制造出首个性能超越硅晶体管的碳纳米管晶体管以来,构建复杂电路和系统一直是一个挑战。斯坦福大学科学家Philip Wong表示,他的团队及其他在IEDM上发表的研究成果显示,碳纳米管设备在过去几年里取得了显著进步。

在IEDM上,工程师们描绘了碳纳米管电路的愿景,这种电路不会取代现有的计算系统,而是增强其性能。碳纳米管有望在新架构中发挥关键作用,通过混合处理和存储来节省能源。例如,用于训练大型人工智能模型的大部分能耗并非用于计算,而是用于在处理器和内存之间移动数据。在内存中进行计算可以减少这种能量消耗。

北京清华大学的博士生张一北在IEDM上描述了一个混合模拟和数字的堆叠计算系统,该系统底层是硅CMOS,顶部是模拟RRAM,最后是两层由碳纳米管电路供电的数字RRAM。这种堆叠设计被称为“后端”方法,碳纳米管层可以构建在完整的硅CMOS上,使用低温技术,不会损坏底层芯片。张的团队用这个系统实现了一个神经网络,他们预计它的能量消耗是传统芯片的1/17,工作速度是传统芯片的119倍。

台积电执行副总裁兼联合首席运营官Yuh-Jier Mii在会议的主题演讲中表示,碳纳米管“对于未来的扩展或在后端开发高性能逻辑可能很有趣。”

斯坦福大学博士后李胜曼表示,为了达到高性能,碳纳米管晶体管还需要进一步发展。她是一个与台积电合作的团队的一员。像清华大学研究小组的电路是由纳米材料的纠缠网络组成的。工程师们可以从这些不完美的晶体管中获得很多好处,但当工程师们能够完善排列的单纳米管晶体管的设计和制造时,他们期望能获得更大的性能提升。

在IEDM上发表的两篇论文聚焦于这种微调。北京大学的刘一凡介绍了他的团队创造的具有破纪录电子性能的高性能碳纳米管器件。由于精心设计了器件的栅极接口,他的团队创造出了具有高电流和破纪录的跨导的碳纳米管晶体管阵列,跨导是将施加在晶体管上的电压与其输出电流联系起来的数字。跨导性告诉工程师晶体管的能源效率和速度。

刘一凡说:“这首次超过了硅CMOS的最大跨导。”他们的工艺需要在使用原子层沉积直接在纳米管上生长栅极电介质之前,用含铪化合物对涂有排列整齐的碳纳米管的晶圆进行预处理。

斯坦福大学和台积电集团也专注于他们的化学配方。斯坦福大学的李教授介绍了他们掺杂n型碳纳米管晶体管的方法。硅可以简单地通过将其他原子混合到通道材料中来掺杂,但是将原子添加到像碳纳米管这样的二维和一维材料中会破坏它们的结构。他们的方法确保掺杂剂被放置在纳米管的正上方,这种方法有助于保持晶体管的性能。

碳纳米管技术的发展预示着半导体行业的未来方向,其在提升计算性能和降低功耗方面的潜力,将为全球科技产业带来革命性的变化。随着研究的深入和技术的成熟,碳纳米管晶体管有望在未来的电子设备中发挥重要作用。

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