在持續(xù)不斷微小化的電子系統(tǒng)里, 能源效率是目前面臨的最大挑戰(zhàn), 而微小化就是主要推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動力. “當(dāng)我們接近摩爾定律（Moore’s Law）的極限, 矽制程在追求微小化的未來終究是要被取代 ”Jeffrey Bokor提到。他目前是勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）分子鑄造科學(xué)的副主任，及加州大學(xué)柏克萊分校教授。

目前為止, 奈米碳管（CNTs）所采用的重要技術(shù)是以傳統(tǒng)的矽制程出發(fā), 并且很有機(jī)會來解決能源效率的挑戰(zhàn). 奈米碳管是以碳圓柱體奈米為架構(gòu), 具有特殊的電學(xué),熱學(xué)及力學(xué)特性. 奈米管電路相較矽制程電路,能大大的提高10倍能源效率.

早期的期許:

在1998年發(fā)表第一個簡陋的奈米電晶體, 研究人員便夢想著將會有一個新時代來臨, 一個具有高效能又超強(qiáng)運(yùn)算能力的電子世界. 但奈米管 (nanotubes)的材質(zhì)特性并不完美, 這使得工程師們不禁懷疑奈米碳管是否能實(shí)現(xiàn)這一夢想.

在過去的幾年中,由 Subhasish Mitra教授和H.-S. Philip Wong帶領(lǐng)由史丹佛工程教授, 博士生, 碩士生, 高中實(shí)習(xí)生組成的工程團(tuán)隊，克服了挑戰(zhàn)，利用奈米碳管技術(shù)設(shè)計出最先進(jìn)的運(yùn)算電路和存儲元件并且有許多電路設(shè)計上的突破,.

研究人員花了十多年都無法解決頑劣脆弱的材料問題, 這些困難障礙也嚴(yán)重阻礙了奈米管電路在電子工業(yè)中被廣泛采用. 現(xiàn)在, 這些高品質(zhì),強(qiáng)韌的奈米管電路已不受材料缺陷影響. 這對超大型積體電路 (VLSI)使用奈米管技術(shù)是很重要的里程碑.

“在十多年前，研究界首次驚嘆碳奈米管特殊的電學(xué),熱學(xué)和力學(xué)特性. 而史丹佛大學(xué)最近第一次發(fā)表可用碳奈米管完整呈現(xiàn)矽互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的電晶體的可行性” Larry Pileggi, Tanoto 提到, 他目前在卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)擔(dān)任電氣和計算機(jī)工程教授及致力于研究電路與系統(tǒng)解決方案中心主任.

主要的障礙

雖然多年來碳奈米管電路已有顯著成果, 但電路大部分仍以單一奈米管來設(shè)計. 在碳奈米管可普遍使用前, 現(xiàn)在主要有兩個問題存在. 第一個問題是要完全正確對準(zhǔn)奈米管圖形的制程能力已證實(shí)幾乎達(dá)不到了, 這會影響導(dǎo)線走線不正確導(dǎo)致電路錯誤. 第二個問題是當(dāng)奈米碳管的金屬導(dǎo)體特性出現(xiàn) (相反于原設(shè)計的奈米碳管半導(dǎo)體的特性), 這會造成電路短路, 過度的電源漏電及互感雜訊產(chǎn)生. 麻煩的是目前尚無專門的碳奈米管合成技術(shù)(synthesis)可設(shè)計出給半導(dǎo)體電路用的奈米管.

“未來, 積體電路是以密度和能源效率為基礎(chǔ), 碳奈米管電晶體有很多令人著迷的原因. 但是,在用化學(xué)制作上產(chǎn)生了獨(dú)特的挑戰(zhàn), 第一次化學(xué)制程要跟微電子結(jié)合. 其中最主要的問題是在自己的位置精準(zhǔn)度和其電氣特性的變異. 史丹佛大學(xué)在電路設(shè)計時有考慮到此變異性, 因此在正確方向上邁進(jìn)重要一步” Supratik Guha 說, 他是IBM Thomas J. Watso研究中心物理科學(xué)部門主任.

“即使有重重困難在眼前, Wong和 Mitra依然能解決這些挑戰(zhàn)并且有很好的發(fā)展, 這真的是一個非常有趣而且有創(chuàng)意的工作”Bokor 補(bǔ)充說明. 當(dāng)了解再好的制造流程也無法解決這些缺陷問題, 史丹佛大學(xué)工程師們設(shè)法繞過障礙, 采用了獨(dú)特的免疫缺陷的設(shè)計模式, 產(chǎn)生有史以來第一次整片晶圓的數(shù)位邏輯結(jié)構(gòu)不受沒對準(zhǔn)和錯誤定位碳奈米管的影響.除此之外, 他們還發(fā)明在電路里移除金屬奈米碳管不良元件的技術(shù).

顯著的特點(diǎn)

史丹佛大學(xué)的設(shè)計有兩個顯著特點(diǎn), 第一它幾乎完全沒犧牲奈米碳管的能源效率, 第二它相容于現(xiàn)有矽制程方法和基礎(chǔ)設(shè)備, 使得技術(shù)朝向商品化, 邁出重要一步. “這項(xiàng)變革的研究, 實(shí)際上是很有前途的, 它既可共存與現(xiàn)今主流矽制程技術(shù), 并且利用目前的制造和系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)設(shè)施,提供技術(shù)商品化關(guān)鍵的可行性” Betsy Weitzman說, 他目前任職半導(dǎo)體研究公司專注研究計劃中心

未來, 工程師將展示奈米碳管可能發(fā)展的技術(shù), 設(shè)計出數(shù)位電路基本元件:算術(shù)運(yùn)算電路和順序電路存儲元件, 以及第一個幾乎完全整合三維積體電路. 史丹佛大學(xué)的研究最近受邀發(fā)表在 IEDM（International Electron Devices Meeting）及IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems的重點(diǎn)文章.

“許多研究人員認(rèn)為可缺陷碳奈米管制造必須使用昂貴的容錯技術(shù). 然而Mitra 和Wong有過人的洞察力, 研發(fā)出不同的解決辦法. 顯然他們使用廉價和實(shí)用的方法就大大改善了奈米碳管電路的強(qiáng)韌性, 使得設(shè)計碳奈米管電路的可行性是一條可以走很遠(yuǎn)又很久的路” IEEE Transactions on CAD的主編Sachin S. Sapatnekar 說，“我預(yù)期這是一篇會引起讀者高度興趣的研究報告”