纳米材料设计 基于碳纳米管基底下的CPU设计.doc

基于碳纳米管技术下的 新一代CPU设计 胡琦飞 南开大学化学学院化学二班 1110443引言：当今时代是一个信息高度膨胀的信息时代，我们每天都要接触并处理大量的信息。自从晶体管诞生以来，人们处理信息的能力大大得到了提升。人们将晶体管应用到了各种电子器件，CPU就是其中最重要的代表。随着时代的发展，人们对于数据的处理能力的要求也越来越高，新的CPU不断的上市。虽然CPU技术不断发展，集体管的技术已经到了纳米级（最小22nm级别），但是因为传统制作工艺上的限制，和量子遂穿效应的影响，现在的CPU发展已经到达了一个瓶颈，计算速度的提升也大致只能靠核心数目的提升。而碳纳米管具有孔径小，强度大的特点，利用碳纳米管作为模板，在碳纳米管内生长制作出晶体管，进行微型CPU设计。另外，可将这些内部含有晶体管的碳纳米管插入到BN石墨烯的层间，使单层的晶体管实现三维立体构架，成倍提高计算速率。本文旨在根据碳纳米管的特性，利用碳纳米管进行新型碳纳米管-BN石墨烯构架CPU设计，并进行初步的可行性论证。关键词：碳纳米管；氮化硼石墨烯；CPU；晶体管；半导体生产；可行性分析； 前景展望正文：自从碳纳米管被发现以来，业内对其的研究一直不断。因为其高强度，高韧性，长径比大，易导电等特点，研究人员一直致力于将碳纳米管制作成“超级钢缆”，“超级导线”“特殊分子筛”等新型应用。碳纳米管的研究如火如荼。而我注意到了碳纳米管特殊的管径大小，联系到了当今CPU的发展水平，试图利用碳纳米管为基础模板，辅之以BN石墨烯构架支撑，制作新型高性能CPU。一、传统CPU简介CPU的处理能力产自于其内部有有数以亿计的晶体管，每个晶体管都能对电流实行响应，多个晶体管在一起，可以组成一个逻辑上的门。而电脑，正式通过这一个个的门，对指令进行判断，基于一次次的判断，进而运行各种大型复杂程序，实现各种应用。在过去的几十年里，CPU的发展技术发生了翻天覆地的变化。晶体管数目上，从开始少量的几千个晶体管（Intel4004和Intel8008微处理器）发展到现在数以亿计的规模；大小上，从开始的较大的形体，发展到现在只有指甲盖大小；从核心数目上，从单核技术也发展到了多核心处理技术；从处理能力上来看，也从4-bits发展到现在的64-bits技术。其处理速度惊人的增长。但是，虽然新的CPU不断上市，但是其发展也遇到了瓶颈。前十年，CPU的巨大发展主要源自于一下几方面：首先，也是最重要的，就是晶体管体积的减小。从起初的10m的制作工艺，发展到了现在代表性的22nm技术，晶体管体积减小了近500倍，则晶体管在CPU上的集成度更高了；其次，是核心数目的增加，从单核实现了多核。但是，制作工艺再优化，其发展也是越来越慢。现在的比较先进的Intel-core-I5（I7）系列，使用了22nm制程【1】，如果将晶体管的体积做的更小的话，那量子的遂穿效应就会更加明显，电子在晶体管半导体内的运动将难以约束，晶体管协同的的控制就会变的越来越难。以现在的传统工艺，晶体管很难在做小了。从核心数目上来说，虽然核心数目的提升能成倍的提高计算机的运算速度，但是核心数目的提升并不能代表真正的CPU提升，它只是CPU在量上的增加。因此，综合上述，传统的CPU生产要取得长足发展，还有很多问题函待解决。新的CPU制作思想呼之欲出。2、 基于碳纳米管工艺的新型CPU简介1、基本结构简介 如图所示（自己电脑绘制的大概示意图），灰色部分表示利用碳纳米管制作的半导体晶体管材料，浅蓝色部分表示一层层的BN石墨烯材料。将晶体管并排排列，置与BN层间。每隔数层（大于2层）可放置一层晶体管层。 2、制作流程分析新CPU的基础构建主要利用单层的碳纳米管，单层碳纳米管的管径大约在0.6-2nm之间，现在制作的长度大约能达到几微米级别。先利用现有的技术(沉淀法,气相沉积法,溶胶-凝胶法等)，制作出单臂的碳纳米管。接着,以制作出来的碳纳米管为模板,利用柴可拉斯基法制作工艺,让单晶硅(ZnS等半导体材料)在碳纳米管中结晶,得到直径接近碳纳米管管径的半导体材料;最后,对半导体进行电学修饰,使其具有晶体管的性能,多个微型晶体管即可组成逻辑门。将多个这样的内部含有逻辑门的碳纳米管组装在一起,即可实现CPU的初步计算功能。在此，对柴可拉斯基法【2】进行简要介绍。柴可拉斯基法又称直拉法，是一种用来获取半导体（如硅、锗和砷化镓等）、金属（如钯、铂、银、金等）、盐、合成宝石单晶材料的晶体生长方法。这个方法得名于波兰科学家扬柴可拉斯基，他在1916年研究金属的结晶速率时，发明了这种方法。其制作流程大概可分为以下几步：步骤一：多晶硅和掺杂物的熔化步骤二：向熔融物中放入晶种步骤三：晶体开始生长步骤四：缓慢向上提拉棒，同时棒与下面的坩埚之间以反方向旋转步骤五：单晶硅生长完成。利用此方法，可是尝试进行碳纳米管晶体管的生产。另外，为了加快CPU的计算能力，可以考虑进行三维多层构架设计。既在无机石墨烯BN的层间，插入具有处理能力的碳纳米管。多层之间的处理中心同时工作，处理能力必然得到大幅度的提升。之后，因为碳纳米管的导电性可能会影响半导体晶体管的性质，对得到的内部包含晶体管处理单元的碳纳米管进行选择性氧化。以CO2气体的形式，出去碳单质。最后，对得到的微型高性能CPU用高分子材料进行包装，即可嵌入主板，进行工作。3、优势分析（1）CPU体积小，运算速度快。较小的体积就意味着可以在较小的空间内容纳更多的逻辑处理单元，既处理能力更加强劲。三维立体多层次设计，使计算在不同层间同时展开，计算速度倍增。（2）散热性能优异。由于采用了多层次设计，CPU内部有很多地方是空着的。大部分BN石墨烯之间是没有晶体管的。另外，BN材料具有良好的导热性，散热性能很好。所以，即使没有风扇，CPU的温度也不会太高。这样此款CPU在对散热性能要求更高的移动设备领域的发展空间也很宽广。（3）可以有效避免量子隧穿效应。与传统CPU不同，由于BN石墨烯为绝缘体，电子在层与层之间的传递遭到了限制。传统工艺所面临的许多问题可以得到有效的避免。（4）造价更低。由于碳石墨烯的造价很低，BN制作技术也不断发展。相比于传统的制作工艺，此款CPU造价会更低。（5）适用范围广。由于CPU体积小，则可以实现多CPU的集成化处理。即需要较高的处理速度，就集成更多的CPU。需要较少的处理能力，集成较少的CPU即可。可以广泛应用于各种电子设备。3、 可行性与现存问题分析 1、可行性分析 自从碳纳米管管被发现以来，对其的研究已经有了几十年的历史。碳纳米管的制作工艺也比较成熟。晶体管的历史也同样悠久，早已实现了大批量的工业化生产。本文所涉及方法，就是对两种制作工艺的结合，具有较大的可行性。 同时，单臂碳纳米管具有较少的缺陷，对半导体材料的灌注提供了更多保障。 另外，从原子尺度考虑。以碳纳米管内填充Si原子的半导体制作而成的晶体管为例。现在工艺制作的单臂碳纳米管的管径一般在0.6-2nm，Si原子的半径为111pm，约为0.111nm【3】。在结晶时，Si一般采取A4型金刚石堆积。经过计算，一个晶胞的边长约为，即0.3nm。因此，在碳纳米管管里面放入Si的晶胞是绰绰有余的，并排大约可以放6-7个。而这些原子也足以组成逻辑门。 最后，与碳纳米管应用于“超级钢缆”领域不同，即使现在的碳纳米管产度只能做到几微米的数量级，但是CPU并不要求太长的碳纳米管。同时，即使一个碳纳米管内部容纳的晶体管数目有限，也可以通过增加碳纳米管的数目轻易弥补尺度小这一缺憾。而传统的CPU如果要增加核心数，代价较高。即此制作工艺对碳纳米管的要求不是太高。 综合上述，此碳纳米管-BN石墨烯构架CPU具有较充足的可行性。2、 存在问题分析 本文只是一个简单的设想，也只是通过基础理论和基本数据进行了初步的可行性分析，没有实验证明所设想的流程一定可行。此设想也存在一些问题： （1）碳纳米管与BN石墨烯的结合问题。虽然将碳纳米管与BN石墨烯结合实现三维立体多层次运算是个很好的设想，但在BN石墨烯的层间插入碳纳米管不好实现。 （2）将制作成的半导体晶体管制作成可以处理大量数据的CPU，相关电子技术是否可应用到此种CPU，有待实验证明。 （3）碳纳米管氧化除去问题。由于碳纳米管具有导电性，在做完模板后，应利用氧化技术除去。然而有的半导体材料也会被氧化，因此，选择合理的氧化剂也因注意，需要大量理论和实践来寻找特殊氧化剂。 虽然存在这些我不能解决的问题，但是随着科技的进步，新型碳纳米管-BN石墨烯构架的CPU迟早会成为现实。4、 结语与前景展望 随着人们对科学研究不断深入，需要处理的数据量也越来越大。虽然超级计算机已经问世，可是超级计算机的普及性很差，难以得到大范围的应用。而如果本文中的碳纳米管-BN石墨烯构架CPU成为现实，就能有效的缓解这一问题，人类的计算能力将实现一次巨大的飞跃。技术不断革新，也许明天那些难以攻克的技术难题就可以得到解决，因此，新型CPU的前途是一片光明的，世界的计算能力也必将因一次次的技术革新而改变。 最后，在此强调，本文是根据了周震老师纳米材料设计课程所学的知识，结合了自己业余的兴趣爱好，提出了这一大胆的新型碳纳米管-BN石墨烯型CPU设计，其可行性与问题并存，进一步结论需要结合更加先进的理论与大量的实验进行更加深入的研究。参考及引用：【1