RV16X-NANO: un microprocesador RISC de 16 bits con 14702 transistores de nanotubos de carbono

En 1998 se inventó el transistor FET de nanotubos de carbono; el diseño más usado en la actualidad nació en 2012, con un canal entre 5 y 10 nanómetros. Los microprocesadores actuales usan tecnología CMOS, que combina transistores pMOS y nMOS. Se publica en Nature  la fabricación del primer procesador funcional CMOS que usa transistores de nanotubos de carbono (CNFETs), tanto p-CNFETs como n-CNFETs; eso sí, son enormes, con un canal de 1.5 micrómetros. RV16X-NANO usa tecnología RISC de 16 bits con instrucciones de 32 bits a una frecuencia de reloj de 1 MHz; a pesar de ello su rendimiento es similar a un procesador 80386 de 16 MHz, que Intel introdujo en 1985. Se espera reducir el canal a la nanoescala e incrementar la frecuencia de reloj a los GHz en los próximos años.

La gran ventaja de la tecnología CMOS basada en CNFETs es el consumo energético. Un transistor de silicio tiene una densidad de corriente de 1 mA/µm (un miliamperio por micrómetro en la longitud del canal). Los CNFETs de RV16X-NANO alcanzan 6 µA/µm (seis microamperios por micrómetro), es decir, 167 veces menos. Así, si se incrementa la densidad de integración (o sea, se reduce la longitud del canal) sin alterar esta densidad de corriente, los procesadores de CNFETs podrían ser competitivos con las tecnologías de silicio. Además, conforme se reduzca el tamaño del canal, se reducirá la capacitancia efectiva (que limita la frecuencia de reloj), pudiéndose alcanzar procesadores aún más rápidos que los actuales (si se llegara a canales inferiores a 10 nanómetros). ¿Algún día los CNFETs sustituirán a los FETs de silicio? Quién sabe, pero quizás haya un nicho específico en aplicaciones que requieran bajo consumo y alta velocidad.

El artículo es Gage Hills, Christian Lau, …, Max M. Shulaker, «Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistors,» Nature 572: 595-602 (28 Aug 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1493-8; más información en Franz Kreupl, «Carbon-nanotube computer scaled up,» Nature 572: 588-589 (28 Aug 2019), doi: 10.1038/d41586-019-02519-2. El CNFET nació en Sander J. Tans, Alwin R. M. Verschueren, Cees Dekker, «Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube,» Nature 393; 49-52 (07 May 1998), doi: 10.1038/29954; los CNFET usados en RV16X-NANO se publicaron en Aaron D. Franklin, Mathieu Luisier, …, Wilfried Haensch, «Sub-10 nm Carbon Nanotube Transistor,» Nano Letters 2012122758-762 (18 Jan 2012), doi: 10.1021/nl203701g.

En un transistor FET de nanotubos de carbono (CNTs), éstos se encuentran sobre la puerta (Gate) conectando la fuente (Source) con el drenador (Drain). Se requiere que al menos el 99.99% de los CNTs sea de alta pureza para garantizar que se comporten como semiconductores; el 0.01% restante se comportan como metales, lo que produce errores en el procesador; por cierto, una tecnología VLSI comercial exige una calidad muy superior al 99.999%, así que aún está lejos. Los CNFETs se recubren con un óxido para aislarlos. La ventaja de la fabricación de este tipo de transistor es que los CNTs están distribuidos de forma aleatoria, como espaguetis en un plato. Esta figura muestra una puerta lógica de tipo inversor (NOT) implementada con un transistor pMOS (izquierda) conectado en serie con un transistor nMOS (derecha). Para un voltaje pequeño de entrada, el voltaje a la salida es alto, y viceversa. El inversor CMOS con CNFETs es la puerta lógica básica del nuevo procesador RV16X-NANO.

RV16X-NANO es un microprocesador de 16 bits basado en un conjunto de instrucciones RISC-V, que es de acceso abierto (open access). Te recuerdo que RISC significa Reduced Instruction Set Computing, una tecnología que nació para microcontroladores, pero que se usó en los PowerPC,​ ARM y SPARC, entre otros; la tecnología CISC, Complex Instruction Set Computer, se usaba hasta hace una par de décadas (Intel x86, AMD x86-64, etc.); sin embargo, los procesadores multinúcleo actuales usan una combinación de RISC y CISC (más bien, RISC integrada en CISC).

Por supuesto, RV16X-NANO es un prototipo y solo se han ejecutado códigos muy sencillos (como el de esta figura que escribe en ASCII la frase “Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.”). El objetivo ha sido verificar la calidad del proceso de fabricación, que es el gran aporte científico-tecnológico del nuevo trabajo publicado en Nature.

No entraré en los detalles del proceso de fabricación (que se resume en esta figura) llamado MMC (Manufacturing Methodology for CNTs); sus fases más relevantes son RINSE (Removal of Incubated Nanotubes through Selective Exfoliation), DREAM (Designing Resiliency Against Metallic CNTs) y MIXED (Metal Interface Engineering Crossed with Electrostatic Doping). Solo destacaré que el proceso se inicia con la deposición de los CNTs sobre la oblea de silicio (de 150 mm de diámetro); básicamente se sumerge la oblea en una solución que contiene CNTs. Se forman ciertos agregados (en la figura abajo a la izquierda) y se usan técnicas de sonicación para que los CNTs se distribuyan de forma uniforme sobre la oblea. Una vez tratada la oblea con CNTs, se usan técnicas de fabricación por litografía convencionales. Así se aprovechan herramientas estándares en la industria microelectrónica con tecnología de silicio.

En resumen, estamos aún muy lejos de que tu teléfono móvil o tu ordenador portátil use nanotubos de carbono; quizás nunca llegue a ocurrir. Pero la fabricación de un procesador funcional con transistores de nanotubos de carbono es todo un hito. ¿Qué se podrá fabricar dentro de diez años? Habrá que estar al tanto.



6 Comentarios

  1. Francis si el microprocesador de nanotubos de carbono no es el futuro reemplazo del de silicio, cual de las tecnologias de laboratorio son los mas prometedores para ser el siguente microprocesaror del futuro? Ya se que no se puede predecir pero al menos dime 5 o menos que ves con mejores ojos
    gracias

  2. …Como bien dices, habrá que estar al tanto…Cambios, muchos cambios,…apasionante con algo de…¡Vértigo! por cómo será la, ¿digestión?.

    Yo, en el remoto caso de que construyese un procesador basado en transistores de nanotubos de carbono, ejecutaría como primera prueba, el código «Hola mundo»…sin duda, ¿hay algo más bonito que saludar al nacer?… (aunque sea llorando).

  3. Hola. Quería hacer una pregunta. ¿ se puede aplicar la ley de Moore a este tipo de procesadores ? Imagino que si los grandes fabricantes de procesadores ven en esta tecnología ventajas para ser comercializada a gran escala como un consumo menor de energía y menor coste en refrigeración. Estarán interesados en igualar la potencia de calculo a los actuales procesadores de silicio. Por lo que pueden dar lugar a una nueva generación de dispositivos mas eficientes.
    Muchas gracias por el articulo. Saludos cordiales.

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 29 agosto, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Informática • Nanotecnología • Nature • Noticias • Science
Etiqueta(s): ,