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驗室（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運算能力的電子世界. 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, 高中實習(xí)生組成的工程團隊，克服了挑戰(zhàn)，利用奈米碳管技術(shù)設(shè)計出最先進的運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奈米管圖形的制程能力已證實幾乎達不到了, 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

史丹佛大學(xué)的設(shè)計有兩個顯著特點, 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. “這項變革的研究, 實際上是很有前途的, 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的重點文章.

“許多研究人員認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用的方法就大大改善了奈米碳管電路的強韌性, 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”