カーボンナノチューブコンピュータ

カーボンナノチューブ コンピュータは、従来のシリコンベースの電界効果トランジスタではなく、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタから構築された実験的なコンピューティング プロセッサの一種です。

カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（CNTFET）では、伝導チャネルはドープされたシリコンではなくカーボンナノチューブで作られています。理論的には、CNTFETはシリコンFETよりも効率的です。CNFETはオンとオフを切り替えるのに必要なエネルギーが少なく、オン/オフ状態間の勾配は急です。これらの要因により、エネルギー遅延積（エネルギー効率の指標）はシリコンベースのトランジスタよりも桁違いに優れています。^[1]さらに、炭素は優れた熱伝導体であるため、炭素ベースのトランジスタはシリコンベースのトランジスタよりもはるかに速く熱を放散できます。この要因と優れた耐熱性を組み合わせることで、理論的にはカーボンナノチューブトランジスタをより高密度に詰め込むことが可能になり、^[2]材料損失と電気損失を削減できます。

これらの特性は、CNTFETとロジック回路に関して、カーボンナノチューブがシリコンの潜在的な代替品であることを示唆しています。しかし、CNTFETは（まだ）大量生産できないため、カーボンナノチューブプロセッサも大量生産できず、どちらも現在は手作業で組み立てられている研究施設に限定されています。最初のカーボンナノチューブコンピュータは、2013年にスタンフォード大学のマックス・シュレーカーと同僚によって構築されました。^{[3]この1ビットプロセッサはCedricと名付けられ、1 KHzで動作し、わずか178個のトランジスタで構成されていました。それ以来、多くの研究チームがCNTFETを使用してますます複雑なプロセッサを構築してきました。2019年には、}マサチューセッツ工科大学とアナログデバイスのエンジニアチームが、RV16X-NANOと呼ばれるプログラム可能な16ビット、約15,000個のトランジスタプロセッサを作成しました。^[4]

カーボンナノチューブを基板上に正確に配置することは困難ですが、2012 年に IBM の研究者は、カーボンナノチューブを化学的に自己組織化してパターン化された配列に形成し、ナノチューブが表面の一部の領域に付着し、他の領域はそのまま残せることを発見しました。

2013年、スタンフォード大学の研究チームはIBMで発見された技術を改良し、ウェハー上で位置ずれしたナノチューブを破壊し、位置ずれしたナノチューブだけを残すことに成功した。位置ずれしたナノチューブを破壊するために、研究者らはナノチューブに高電圧をかけて蒸発させた。^[5]研究者らは同じ方法を使って、カーボンナノチューブがスイッチング不可能な導体であるトランジスタ（そのため「金属」ナノチューブと呼ばれる）を除去した。

研究者らは、これらの改良を、シリコン酸化物基板上の 197 個の 8 マイクロメートル (8,000 ナノメートル) カーボンナノチューブ ベースのトランジスタを備えたウェハに適用し、178 個の使用可能なトランジスタを残しました。これにより、研究者らは 1 ビット、単一命令、チューリング完全なプロセッサを作成しました。^[1]「Cedric」と名付けられたこのコンピュータが実行できる唯一の操作は、"subtract and branch if negative" (減算して負の場合は分岐) の略である SUBNEG でした。SUBNEG により、Cedric は整数を数えたり並べ替えたりすることができ、^{[3] [6] [7]}並べ替えモードとカウント モードを切り替えることができました。^[1]

2019年、マサチューセッツ工科大学のチームはアナログ・デバイセズのエンジニアと協力して、約15,000個のカーボンナノチューブトランジスタを搭載した16ビットのプログラマブルプロセッサを開発しました。^{[8] RV16XNanoと呼ばれるこのプロセッサは、32ビット}RISC-V 命令セットの大部分を実装し^[9] 、 「Hello, World! 私はCNTで作られたRV16XNanoです」という「Hello, World!」プログラムを実行することができました。 ^[4]