MITとアナログ・デバイセズのエンジニアたちは、シリコンではなくカーボンナノチューブ製のトランジスタを用いた、これまでで最も複雑なチップ設計を開発しました。このチップは、商用チップ製造施設で動作が実証された新技術を用いて製造されました。
カーボンナノチューブ製トランジスタがシリコン製トランジスタに対して持つ利点の一つは、多層構造で製造できるため、非常に高密度な3Dチップ設計が可能になることです。DARPAはまた、カーボンナノチューブを用いることで、シリコンチップと同等かそれ以上の性能を持ちながら、製造コストを大幅に削減できる将来の3Dチップの製造が可能になると考えています。
過去10年間でムーアの法則が鈍化したため、半導体企業がチップのノードをアップグレードするたびに、チップ製造コストはますます上昇しています。シリコンチップの製造コストが上昇するにつれ、カーボンナノチューブトランジスタは、シリコントランジスタに比べて実用化の実績がはるかに少ないとはいえ、より魅力的で現実的なものになり始めるかもしれません。
MIT助教授のマックス・シュレイカー氏は、10年前にこのプロジェクトに着手しました。2013年には、178個のトランジスタを搭載した1ビットプロセッサを発表し、現在では32ビット命令と16ビットデータをサポートする15,000個のトランジスタを搭載したRISC-Vプロセッサを開発しました。
シュレイカー氏はIEEE Spectrumに次のように語った。
「10年前、私たちはこれが実現可能だと願っていました。今ではそれが可能だと確信しています…そして、商業施設でも実現できると確信しています。」
Tom's Hardware の最高のニュースと詳細なレビューをあなたの受信箱に直接お届けします。
RV16X-NANOの開発経緯
MIT、アナログ・デバイセズ、そして後にスカイウォーター・テクノロジー・ファウンドリーのエンジニアたちは、カーボンナノチューブの純度と均一性が低いという問題、そして相補型ロジック回路を形成するための相補型n型トランジスタとp型トランジスタを作成できないという問題を回避すべく、3つの新しい商業的に実現可能な技術を開発し、RV16X-NANOと呼ばれるRISC-Vチップを作成した。
カーボンナノチューブトランジスタを製造する際、シリコンウエハー上に溶液を塗布します。しかし、カーボンナノチューブは1,000本以上の束になる傾向があり、それらの束を使ってトランジスタを製造することはできません。大規模なチップ製造においては、この現象が頻繁に発生すると、廃棄されるチップが多すぎるため、大きな問題となります。
シュラカー氏の学生の一人、クリスチャン・ラウ氏は、「RINSE」と呼ばれる解決策を考案した。これにより、製造業者はカーボンナノチューブの束をウエハーから「洗い流し」、均一で機能するトランジスタだけを残すことができる。
同チームのポスドク研究員、ゲージ・ヒル氏は、「DREAM」と呼ばれる2つ目の解決策も考案しました。これは、これまでカーボンナノチューブチップの製造に取り組んできたすべての半導体企業を悩ませてきた純度の問題を回避するものです。現在、最良の商用プロセスでは、半導体ナノチューブが99.99%、金属ナノチューブが0.01%しか生成できず、複雑なカーボンナノチューブチップの製造に用いるには純度が低すぎます。
ヒル氏は、純度が低い場合の最大の問題は消費電力の高さではなくノイズにあることに気づきました。彼とチームはそのことに気づき、論理ゲートを組み合わせてノイズを低減するソリューションの開発に着手しました。
3つ目のブレークスルーであるMIXEDプロセスにより、エンジニアたちは電子伝導型（NMOS）トランジスタとホール伝導型（PMOS）トランジスタの開発に成功しました。これらの2種類のトランジスタはシリコンチップでは既に数十年前から使用されていますが、カーボンナノチューブチップでは未だに使われていません。シュレーカー氏の最初の1ビットチップはPMOSトランジスタのみを使用していました。MIXEDプロセスは低温プロセスであるため、トランジスタを他の回路層に損傷を与えることなく積層することができます。
シュレーカー氏と彼のチームは論文の中で、チップのクロック速度がわずか10kHzであることなど、チップ設計のあらゆる制約と、改善の可能性について論じています。カーボンナノチューブ・プロセッサはまだ実験段階ですが、少なくとも信頼性の高い構築方法のロードマップが得られたと言えるでしょう。彼らの最初のターゲット市場はサーバープロセッサではなく、マイクロコントローラなど、高性能を必要としない分野になる可能性があり、RISC-V ISAの選択はさらに賢明なものとなるでしょう。
ルシアン・アルマスは、Tom's Hardware USの寄稿ライターです。ソフトウェア関連のニュースやプライバシーとセキュリティに関する問題を取り上げています。
