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《IBM利用碳纳米管“生长”芯片 速度可提升10倍》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 姜山
  • 发布时间：2016-11-28

  • 北京时间11月15日消息，据外媒报道，硅在芯片领域的主导地位可能终结。多年来，研究人员和企业家希望碳纳米管能给芯片设计带来一场革命。从理论上说，这种分子水平的结构，能用来制造速度是现有产品6-10倍、能耗大幅降低的芯片。

    除更快和更节能的笔记本、智能手机芯片外，处理能力强大的微型处理器还可以催生新型技术，例如可弯曲计算机和可注射入体内的微型芯片，或杀死人体内癌细胞的纳米机器。

    现在，IBM一个研究团队称取得了技术突破，使纳米梦想向现实又迈近了一步。

    碳纳米管存在的问题是其尺寸。碳纳米管尺寸很小，操作相当困难，不适合采用传统芯片制造技术。IBM研究院材料科学家乔治·图利夫斯基(George Tulevski)及其团队，利用化学过程“诱骗”纳米管自己组装为需要的新结构。其方法更像是水晶生长而非雕刻塑像。

    最近数年纳米技术再次转热。去年，IBM研究院一个团队开发了一种新方法，在一个更小空间中封装更多碳纳米管晶体管。Nanotronics Imaging等公司开发出了显微镜，降低了制造纳米水平设备的难度。

    IBM研究院团队距离量产纳米管芯片尚有数年时间。因为硅芯片性能还在不断提高，IBM团队不仅需要开发纳米管处理器制造工艺，还需要使其性能超过硅芯片，这都需要时间。(编译/霜叶)

  • 原文来源：IBM;http://tech.ifeng.com/a/20161115/44493820_0.shtml
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  • 《5G来了 硅却在接近极限！化合物半导体、石墨烯、碳纳米管 谁是芯片的未来？》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-06-10
    • 如果我们的电子产品想要变得更小更快，就需要技术上的进步。 我们生活在一个由计算机电路驱动的世界。现代生活依赖于半导体芯片和硅基集成电路上的晶体管，它们可以开关电子信号。大多数晶体管使用丰富而廉价的硅元素，因为它既可以阻止也可以允许电流流动，它既是绝缘体又是半导体。 直到最近，挤压在硅芯片上的微型晶体管每年的体积都缩小一半。它造就了现代数字时代，但这个时代即将结束。随着物联网、人工智能、机器人技术、自动驾驶汽车、5G和6G手机这些计算密集型工作的问世，科技的未来岌岌可危。那么接下来会发生什么呢? 什么是摩尔定律？ 摩尔定律是计算能力的指数增长。早在1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔就观察到，一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番，而成本则减半。现在，这个时间是18个月，而且越来越长。事实上，摩尔定律不是定律，只是一个为芯片制造商工作的人的观察结果，但增长的时间意味着未来的密集计算应用可能受到威胁。 摩尔定律已死？ 没有，但是速度太慢了，硅芯片需要帮助。英国半导体应用公司Catapult的首席执行官Stephen Doran说：“在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中，硅正在达到其性能的极限。” 然而，他认为现在谈论硅的替代物还为时过早。他补充称：“这意味着硅将被完全取代，这在短期内不太可能发生，很可能永远不会发生。” Imagination Technologies营销传播副总裁David Harold表示：“至少在2025年之前，摩尔定律式的业绩提升仍有潜力。直到20世纪40年代，硅仍将主导芯片市场。” 计算机的第二个时代即将到来 仔细研究硅晶体管问题非常重要；作为一个概念，它并没有“死亡”，但是它已经超过了它的顶峰。Rambus内存和接口部门首席科学家Craig Hampel表示：“摩尔定律专门指的是由半导体制造的集成电路的性能，而且只记录了过去50多年的计算。” “人类对计算需求的增长趋势可追溯到算盘、机械计算器和真空管，并可能远远超出半导体（如硅），包括超导体和量子力学。” 超越硅是一个问题，因为未来的计算设备将需要更加强大和灵活。Harold说：“日益增加的计算问题是，未来的系统将需要学习和适应新的信息。它们必须‘像大脑一样’。再加上芯片制造技术的转型，它们将为计算创造革命性的第二个时代。” 什么是冷计算？ 一些研究人员正在研究用更少的能量获得高性能计算机的新方法。“数据中心或超级计算机的冷运行可以带来显著的性能、功耗和成本优势。”Hampel说。 微软的Natick项目就是一个例子，作为该项目的一部分，一个巨大的数据中心沉入了苏格兰奥克尼群岛海岸，但这只是一小步。进一步降低温度意味着漏电流更少，晶体管开关的阈值电压更低。 Hampel说：“它减少了延伸摩尔定律的一些挑战。”他补充说，对于这些类型的系统来说，自然的操作温度是77K（-270℃）的液氮。“大气中含有丰富的氮，以液态形式收集相对便宜，而且是一种有效的冷却介质。我们希望，在内存性能和功耗方面，或许能再延长4~10年的时间。” 什么是化合物半导体？ 下一代半导体由两种或两种以上的元素组成，这些元素的特性使它们比硅更快、效率更高。这是“机会”，它们已经在使用，并将有助于创建5G和6G手机。 Doran说：“化合物半导体结合了元素周期表中的两种或多种元素，例如镓和氮，形成氮化镓。”他解释说，这些材料在速度、延迟、光检测和发射等方面都优于硅，这将有助于实现5G和自动驾驶汽车等应用。 尽管它们可能与普通硅芯片一起使用，但化合物半导体将进入5G和6G手机，本质上使它们足够快、足够小，同时还具有良好的电池寿命。 Doran说：“化合物半导体的出现改变了游戏规则，它有潜力带来变革，就像互联网变革通讯领域一样。”这是因为，化合物半导体的速度可能比硅快100倍，因此可以为物联网增长带来的器件激增提供动力。 什么是量子计算？ 当你可以拥有量子世界的叠加和纠缠现象时，谁还需要经典计算机系统的开关状态呢？IBM、谷歌、英特尔和其他公司都在竞相使用量子比特（又称“qubits”）来制造具有强大处理能力的量子计算机，其处理能力远远超过硅晶体管。 问题是，在实现量子计算的潜力之前，量子物理学家和计算机架构师要实现许多突破，有一个简单的测试，量子计算界的一些人认为，在量子计算机问世之前，需要满足他们的要求：“量子至上”。 Hampel表示：“这只是意味着，在摩尔定律的道路上，量子机器比传统半导体处理器更擅长完成特定的任务。”到目前为止，实现这一目标仍然遥不可及。 英特尔在做什么？ 由于英特尔是制造硅晶体管的先驱，因此英特尔在硅基量子计算研究方面投入巨资也就不足为奇了。 英特尔销售与营销集团副总裁兼英国区总经理Adrian Criddle表示：“除了投资扩大需要在极低温度下存储的超导量子比特外，英特尔还在研究一种替代方法。替代架构基于‘自旋量子比特’，在硅片中运行。” 自旋量子比特使用微波脉冲来控制硅基器件上单个电子的自旋，英特尔最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至关重要的是，它使用硅和现有的商业制造方法。 Criddle解释说：“自旋量子比特可以克服超导方法带来的一些挑战，因为它们的物理尺寸更小，更容易微缩，而且可以在更高的温度下工作。更重要的是，自旋量子比特处理器的设计类似于传统的硅晶体管技术。” 然而，英特尔的自旋量子比特系统仍然只能接近绝对零度；冷计算将与量子计算机的发展密切相关。与此同时，IBM有一个50比特的处理器Q，而谷歌量子AI实验室有72比特的Bristlecone处理器。 石墨烯和碳纳米管怎么样？ 这些所谓的神奇材料有朝一日可能会取代硅。Doran说：“它们现有的电气、机械和热学特性远远超出了硅基器件所能达到的水平。”然而他警告说，可能需要很多年才能准备好迎接黄金时代。 他说：“硅基器件经过了几十年的改进，并随着相关制造技术的发展而发展。石墨烯和碳纳米管仍处于这一旅程的起点，如果它们要在未来取代硅，实现这一目标所需的制造工具仍然需要开发。” 原子时代 无论其他材料的前景如何，我们现在正处于原子时代。Harold说：“每个人都在考虑原子。我们的进展现在已经到了单个原子计数的阶段，甚至存储正在寻找在原子水平上工作的方法——IBM已经展示了在单个原子上存储数据的可能途径。”今天，创建1或0，即用来存储数据的二进制数字，需要10万个原子。 然而，这里有一个问题。Harold补充说：“作为存储或传输信息的手段，原子本质上不太稳定，这意味着需要更多的逻辑来纠正错误。”因此，未来的计算机系统很可能是各种技术的叠加，每一种技术都是为了弥补另一种技术的缺点。 因此，没有哪个答案可以将硅的寿命延长到下一个计算时代。化合物半导体、量子计算和冷计算都有可能在研发中发挥重要作用。计算机的未来很可能会出现机器的层级结构，但到目前为止，没有人知道明天的计算机会是什么样子。 Hampel表示：“虽然摩尔定律将会终结，但指数计算能力的长期和持久趋势很可能不会终结。”
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  • 《基于碳纳米管的柔性集成电路》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-10-14
    • 柔性集成电路作为信息处理的核心单元，是实现全柔性电子系统的重要组成部分，由于其应用形式的扩展，与现有的混合柔性系统（部分或全部基于刚性硅片）相比具有优势，更好的适应性，以及在生物/非生物界面操作的能力。最终集成系统的可交付功能在很大程度上取决于柔性集成电路的信息处理能力，这在很大程度上取决于其性能和集成规模。此外，随着柔性电子系统在便携式，可穿戴或远程形式且电源受限的应用中变得越来越受欢迎，柔性集成电路的功耗变得至关重要，因为它们会消耗系统中的大量能量。由于在热预算较低且工作环境复杂的柔性基板上的制造环境受到限制（从机械和电气条件的角度来看），因此，寻求具有高性能，合理的集成规模和低功耗的柔性集成电路非常具有挑战性，但是对于高级的，完全灵活的系统而言，这是必需的。生物相容性，可降解性和可配置性等其他特征将为柔性集成电路增加价值，并为柔性电子产品引入非常规形式和新的可交付成果。 本文，北京大学胡又凡课题组在《 Acc. Mater. Res》期刊发表了“Flexible Integrated Circuits Based on Carbon Nanotubes”的论文，该文献总结了过去五年我们在发展碳纳米管基柔性集成电路方面所做的努力。作为制造下一代芯片的有希望的候选材料，碳纳米管集成电路在性能和功耗方面已经显示出其优越性，我们通过材料优化、器件设计、加工技术开发，将这些进步扩展到一种灵活的形式，我们从简单介绍碳纳米管的特性入手，揭示其作为下一代电子器件沟道材料的内在优势。接下来，我们讨论了我们开发的制造方法，通过直接制造或转移工艺在柔性基板上构建集成电路，以保持这些优势并使电路适合不同的应用环境。然后，介绍了不同形式和特性的碳纳米管基柔性集成电路，包括： （1）在超薄高性能衬底上植入互补金属氧化物半导体电路， （2） 具有生物集成能力和低功耗的可转移集成电路； （3）高产量、高均匀性的可降解集成电路； （4）多功能可配置集成电路。还介绍了用这些电路构成的集成柔性传感器系统。 最后，我们以对碳纳米管在柔性集成电路和新型电子产品中所面临的挑战和新机遇的概述来结束这篇文章。 图1.具备功能的柔性IC的CNT的关键属性 图2.（a）在柔性基板上直接制造器件的过程。 （b）CAED实验装置的示意图。 （c）照片显示了用电子设备制造的超薄聚对二甲苯基板的分层过程。比例尺，1厘米。平均分层速度 （d）施加电压， （e）NaCl浓度 （f）硅片倾斜角的函数。 （h）照片显示用金电线沉积的PI，PMMA和SEBS薄膜分层。 图3.（a）CNT CMOS结构的截面图。 （b）在分层之后测量的100个p型TFT和100个n型TFT 的V th的传递特性和统计分布。（d）在卷制前后的TFT的转印特性。插图：正在滚动的系统照片。比例尺，200μm。 （e）典型CMOS反相器的VTC。 （f）随着V dd的增加，三级RO的振荡频率变化。插图：RO的照片。比例尺，100μm。（g）附着在皮肤上以进行汗液监测的集成传感器系统的照片。比例尺，1厘米。 （h）集成传感器系统的电路图和（i）频率-湿度曲线。 图4.（a）转移到任意非常规衬底上的器件和IC。 （b）I 开 / I 关和（c）I 关 / W对100个已转移设备的统计分布。插图（c）：V th的统计分布。 （d）100个逆变器的VTC。插图：电路图。 （e）这些逆变器的峰值分布和最低功耗。 （f）全加法器的光学图像和（g）输入-输出特性。 图5.（a）基于CNT薄膜的可降解器件的晶圆级制造。 （b）转移前晶片上10个芯片的空间分布， （c）这些芯片的器件良率。 （d）芯片10中100个TFT的传输特性。 （e）V th的对应统计分布。 （f）不同转移码片之间的V th统计。 （g）附着在植物叶片上的传感平台的光学图像和电路图。比例尺，1厘米。 （h）实时监测模拟生态系统。 （i）一系列图像显示了人工降雨下感应平台的退化过程。比例尺，1厘米。 图6.（a）DMG设备的剖视图。 （b）不同V ds下典型DMG设备的传输特性。插图：DMG设备（红色曲线）和NG设备（蓝色曲线）的示意性能带结构。 （c）DMG和NG设备之间的I off / W比较。 （d）二极管配置下典型DMG设备和NG设备的I – V曲线。 （e）78种DMG设备的整流比的统计分布。 （f）具有两个DMG器件和一个电阻器的可配置柔性IC的等效电路图， （g）光学图像和（h）动态输入-输出特性 碳纳米管作为一种非常有前途的下一代芯片的候选材料，在柔性集成电路中的应用也显示出了其优越性，这不仅体现在它们所获得的高性能上，与刚性衬底上的同类产品相匹配，而且还表现出所需的兼容性和适应性适合各种新兴应用。对于构造用于处理模拟信号的电路，要求器件具有大跨导（以获得更好的放大能力），寄生电容/电阻小（用于提高采样率和采样速度），器件之间的参数偏差可忽略不计。在数字电路的构造中，为了使电路具有更好的抗噪声能力，扇形输入/扇出、正确的时序逻辑输出和级联能力等问题越来越受到重视。使更强大的柔性集成电路能够构建完全灵活的集成系统，将释放出柔性电子的真正力量，它可以在各种应用领域提供突破，例如先进的监测、诊断和治疗形式。
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