Forschung: Funktionaler 16-Bit-Prozessor mit Carbon Nanotubes

Kohlenstoffnanoröhren (CNT) könnten in der Zukunft Silizium als Halbleitermaterial in Computerchips ersetzen. Bis dahin ist es aber noch ein langer Weg, auf dem jetzt allerdings ein neuer Meilenstein gesetzt wurde. Forscher des MIT haben einen 16-Bit-Prozessor mit 14.000 CNT-Transistoren und RISC-V-Architektur hergestellt.

Während die Fortschritte bei den Herstellungsverfahren für Halbleiterchips auf Silizium-Basis immer kleiner, schwieriger und entsprechend teurer werden, arbeiten Forscher schon seit vielen Jahren an Alternativen. Eine davon ist der Einsatz sogenannter Carbon Nanotubes (zu deutsch Kohlenstoffnanoröhren) als alternatives Halbleitermaterial. Transistoren aus CNTs verkraften wesentlich höhere Spannungen und Temperaturen als mit Kupfer verbundene Pendants aus Silizium. Potenziell werden sich davon effizientere Prozessoren mit höheren Taktraten versprochen.

Meilenstein: Über 14.000 CNT-Transistoren bilden 16-Bit-Prozessor

Bis hochkomplexe Schaltungen mit Milliarden von Transistoren auf Basis der Kohlenstofftechnik möglich sind, wie sie Silizium-Chips derzeit erreichen, muss sich aber noch viel tun. Der von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelte 16-Bit-Prozessor ist nur ein weiterer Schritt in diese Richtung und soll aus immerhin mehr als 14.000 sogenannter Carbon Nanotube Field-Effect Transistors (CNFET) bestehen. Mit einem Durchmesser von rund einem Mikrometer fallen die CNFETs noch erheblich größer als aktuelle Silizium-Transistoren mit weniger als 100 Nanometern Durchmesser aus. Zudem erreiche der CNT-Prototyp lediglich eine Taktfrequenz von 10 Kilohertz, während herkömmliche Prozessoren schon im Bereich von mehreren Gigahertz arbeiten.

Auf Basis der offenen Befehlssatzarchitektur RISC-V könne der CNT-basierte Prozessor prinzipiell Aufgaben wie ein herkömmlicher Mikroprozessor übernehmen. Die Forscher demonstrierten die Funktionalität mit der Ausführung simplen Programmcodes, den angehende Programmierer nur zu gut kennen: „Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs“ gab das System aus.

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Trotz der vergleichsweise geringen Zahl von Transistoren gegenüber aktuellen Silizium-Chips gilt dies als Meilenstein. „Dies ist bei weitem der fortschrittlichste Chip, der aus einer aufstrebenden Nanotechnologie besteht, die vielversprechend für leistungsstarkes und energieeffizientes Computing ist“, erklärte Max M. Shulaker, einer der Ko-Autoren des im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlichten Paper zum CNFET-Prozessor. Vor sechs Jahren hatte ein Team um Shulaker einen Mikroprozessor entworfen, der über lediglich 178 CNFETs verfügt.

Ein großes Problem sei derzeit noch die Fertigung der CNFETs. Es lasse sich nicht vermeiden, dass dabei ein kleiner Anteil der Kohlenstoffnanoröhren metallisch ist, was den Transistor ausbremsen oder unbrauchbar machen kann. Damit aufwendigere Schaltkreise funktionieren, müsse der Reinheitsgrad bei 99,999999 Prozent liegen, „was heutzutage praktisch unmöglich herzustellen ist“, heißt es in der Pressemitteilung des MIT.

Mit Hilfe einer neuen Technik, mit der metallene CNFETs so positioniert werden, dass sie die Schaltungen nicht stören, sei dieses strenge „Reinheitsgebot“ um das 10.000-fache auf 99,99 Prozent gelockert worden, was derzeit in der Fertigung machbar sei.

Marktreife noch nicht in Sicht

Forscher werden weiterhin daran arbeiten, die CNT-Transistoren zu verkleinern, um mehr davon in einem Chip unterzubringen. Kleinere Strukturen verringern auch den elektrischen Widerstand und erlauben höhere Taktfrequenzen.

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des Verteidigungsministeriums der Vereinigten Staaten habe die Forschung unterstützt und über eines ihrer Programme werde nun die Herstellungstechnik in eine nicht benannte Foundry für die Herstellung von Silizium-Chips implementiert.

Wann CNT-Chips bereit für den Marktstart sein werden, bleibt aber weiter ungewiss. Laut dem Forscher Shulaker könne dies bereits in weniger als fünf Jahren der Fall sein. Solche Prognosen haben sich aber schon oft als zu optimistisch erwiesen.