MIT-Forscher gelang Herstellung eines Chips aus Kohlenstoff- Nanoröhrchen

MIT-Forscher gelang Herstellung eines Chips aus Kohlenstoff- Nanoröhrchen

New York, 3.9.2019

Ein Team von Wissenschaftlern am MIT hat den weltweit fortschrittlichsten Chip vorgestellt – er besteht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Der neue Mikroprozessor ist vorerst nur in der Lage, ein herkömmliches Softwareprogramm auszuführen. Doch langfristig könnte er ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Suche nach Siliziumalternativen sein.

Die Elektronikindustrie kämpft mit einer Verlangsamung des Moore’s Law, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf einen Siliziumprozessor gepackt werden können, etwa alle paar Jahre verdoppelt. Dieser Trend stößt an seine physikalischen Grenzen. Denn wenn die Größe der Geräte auf wenige Atome schrumpft, beginnt elektrischer Strom aus den metallischen Kanälen zu entweichen, die ihn durch Transistoren leiten. Die freigesetzte Wärme lässt die Energieeffizienz von Halbleitern sinken und kann sogar zum Ausfall führen.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten die perfekte Lösung sein. Erstens sind sie schneller als Siliziumtransistoren und zweitens bis zu zehnmal energieeffizienter.

Ein Problem ist, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei der Herstellung in zwei Arten gemischt angeboten werden: Die erste sind Halbleiter, die perfekt für die Herstellung integrierter Schaltungen geeignet sind, aber die zweite leitet elektrischen Strom wie ein Draht, der mehr Strom saugt und sogar die Leistung einer Schaltung beeinträchtigen kann. Um die Chips wirtschaftlich nutzbar zu machen, muß ein kostengünstiger Weg gefunden werden.

Ein weiteres Problem ist, dass zur Herstellung der Chips eine einheitliche Monoschicht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen über einen Wafer abgeschieden werden muss. Doch dies ist schwierig, weil Nanoröhrchen die lästige Tendenz haben, sich zusammenzuballen. Landet ein Bündel von ihnen auf einem Transistor, kann er zerstört werden.

Max Shulaker, einen MIT-Professor, der an anderen bemerkenswerten Projekten auf diesem Gebiet gearbeitet hat erhielt von der US Defense Advanced Projects Research Agency Mittel zur Entwicklung der Nanoröhrentechnologie. Die von ihm geleitete Forschungsgruppe hat einen funktionierenden 16-Bit-Mikroprozessor entwickelt, der aus über 14.000 Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistoren besteht, von denen Shulaker behauptet, dass sie die komplexesten sind, die je demonstriert wurden. Die von ihnen entwickelten Techniken können mit Geräten zur Herstellung konventioneller Siliziumchips umgesetzt werden, so dass die Chiphersteller nicht in teure neue Geräte investieren müssen, wenn sie Nanoröhrenprozessoren herstellen wollen.

Als sie sich mit dem Problem der Vermischung beschäftigten, stellten die Forscher fest, dass einige Arten von Logikgattern, die grundlegende Bausteine digitaler Schaltungen sind, widerstandsfähiger gegen Probleme sind, die durch metallartige Nanoröhren ausgelöst werden, als andere. Das führte dazu, dass sie ein neues Schaltungsdesign entwickelten, das diese Gates priorisiert und gleichzeitig den Einsatz empfindlicherer metallischer Gates minimiert.

Um das Bündelungsproblem zu lösen, beschichteten sie einen Wafer mit einem Polymer und wuschen ihn dann schrittweise vorsichtig ab. Dadurch wurden die Nanoröhrenklumpen entfernt, so dass die Monoschicht zurückbleibt, die erforderlich ist, damit der Chip am effizientesten arbeitet.

Der Chip, den die MIT-Forscher mit diesen Techniken produzierten, ist in der Lage, ein einfaches Programm auszuführen, das die Botschaft „Hello, World“ erzeugt. Aber wenn sie Siliziumprozessoren ersetzen sollen, werden Kohlenstoff-Nanoröhrenprozessoren letztendlich Milliarden von Transistoren benötigen, damit sie fortschrittliche Software betreiben können.