Paul van Gerven
6 December 2013

Met de constructie van een processor op basis van koolstofnanobuizen hebben de researchinspanningen om een opvolger van CMos te vinden het niveau van chips in 1971 bereikt.

Anno 2013 zijn er maar weinig 1 bit computers die de handen op elkaar krijgen, maar een recent onthuld exemplaar in Stanford oogst wereldwijd applaus. Het gaat dan ook om de eerste moderne processor die niet van silicium CMos is gemaakt, maar van koolstofnanobuizen (carbon nanotubes, CNT’s). Nadat eerst losse transistoren en vervolgens kleine circuits op basis van deze opgerolde koolstofvellen ten tonele waren verschenen, is het de eerste keer dat beyond CMos-onderzoek een ‘toepassing’ oplevert waar iemand zonder kennis van de onderliggende hardware een programma op kan draaien.

De nieuwe computer op basis van de CNT-processor staat in het laboratorium van Stanford-onderzoekers Philip Wong en Subhasish Mitra. De rekenkern telt 178 CNT-Fets, elk gemaakt van tien tot tweehonderd nanodraden. Deze zijn verbonden tot een PMos-circuit, een halfgeleidertechnologie die tegenwoordig bijna alleen nog maar in combinatie met NMos wordt gebruikt. Tot ongeveer 1970 was PMos echter gemeengoed. NMos volgde PMos korte tijd op, totdat begin jaren tachtig CMos definitief de standaard werd voor de chipindustrie.

Het is niet principieel moeilijker om CMos met CNT’s te maken dan PMos, maar Wong en Mitra opteerden voor de laatste om het aantal processtappen te beperken en zo de kans op succes te vergroten. Immers: hoe meer fysische of chemische bewerkingen, hoe groter de kans dat er iets misgaat.

De onderzoekers hadden sowieso al genoeg aan hun hoofd. Om CNT’s op deze schaal te integreren tot een werkend circuit, moesten zij twee belangrijke hindernissen nemen.

 advertorial 

Sigasi Extension for Visual Studio Code

Sigasi announces the release of their VS Code Extension with rich support for SystemVerilog, Verilog, and VHDL. Our extension provides features and language support such as code navigation, project management, linting, code formatting, tooltips, outline, autocomplete, hover, and much more!

CNT computer

Intel 4004

In de eerste plaats ontstaat tijdens de synthese van CNT’s onvermijdelijk een mengsel van halfgeleidende en metallische buizen. De metallische zijn ongewenst, omdat ze kortsluiting veroorzaken. De onderzoekers losten dit probleem op door de halfgeleidende exemplaren ‘uit’ te zetten met een spanning en vervolgens een flinke stroom door de chip te jagen. De metallische CNT’s warmden daardoor zo veel op dat ze oxideerden en uiteindelijk verdampten.

Tweede obstakel was de uitlijning. CNT’s die in voorgegroefde substraten worden gefabriceerd, liggen weliswaar vrijwel allemaal keurig in het gelid, maar toch niet goed genoeg. Zelfs één ‘dwarsligger’ pakt vaak al desastreus uit. Dit probleem konden de onderzoekers – ondanks een uitgekiende uitlijningsprocedure – niet naar tevredenheid oplossen. Zij wisten het echter wel te omzeilen door wat zij noemen een imperfectie-immuun ontwerp te gebruiken. Door tijdens de procestechnologische verwerking volgens een speciaal algoritme stukken weg te etsen, waren zij wiskundig verzekerd van een werkend circuit.

Het resultaat is een 1 bit processor geklokt op 1 kilohertz, die maar één instructie kan uitvoeren: het Subneg-commando. In dit algoritme wordt in feite de inhoud van een geheugenadres afgetrokken van een tweede adres, en het resultaat in het tweede adres opgeslagen als het positief is en in een derde adres als het negatief is. Hoe primitief ook, dit is voldoende om iedere berekening te kunnen uitvoeren, mits er in voldoende geheugen wordt voorzien. Met andere woorden: de CNT-processor is Turing-compleet.

Aangesloten op een aantal standaard perifere componenten, zoals een geheugen, kan de rekenkern een besturingssysteem draaien, multitasken en een twintigtal Mips-instructies uitvoeren, zo laten de auteurs in Nature zien. Toevallig laat de koolstofchip zich wat prestaties betreft aardig vergelijken met de in 1971 geïntroduceerde Intel 4004-processor, een van de eerste complete CPU’s en de eerste commerciële verkrijgbare microprocessor. Misschien dat de CNT-processor uit Stanford ooit een vergelijkbare status verwerft als eerste in zijn soort.