Süsiniknanotoru-arvuti

**Süsiniknanotoru-arvuti** on eksperimentaalne protsessori tüüp, mis on valmistatud süsiniknanotorudest väljatransistoritest.

Süsiniknanotorudest väljatransistoris (CNTFET) on juhtivkanal valmistatud süsiniknanotorudest, mitte dopeeritud ränist. Teoreetiliselt on CNTFET-id efektiivsemad kui räni väljatransistorid, kuna CNTFET-id vajavad vähem energiat, et neid sisse ja välja lülitada.

Esimese süsiniknanotoru arvuti ehitas 2013. aastal Max Shulaker ja kaastöötajad Stanfordi ülikoolist.

## Süsiniknanotorude tehnoloogia
**[[Süsiniknanotoru]]** (CNT) on silindrilise nanostruktuuriga süsiniku allotroop. Nanotorude ebaharilikud mehaanilised ja elektroonilised omadused tulenevad nende peaaegu ühemõõtmelisest (1D) struktuurist ning süsinikuaatomite grafiidilaadsest paigutusest.

## Tootmisel esinevad väljakutsed

### Materjalidefektid
Kuna hetkel on süsiniknanotoru valmistamisel võimatu läbimõõtu ja kiraalsust reguleerimida, tähendab see seda, et igas CNT sünteesis on mingi protsent metallilisi CNT-sid. Metallilistel CNT-del on väike või puudub üldse keelutsoon, mille tulemuseks on suur lekkevool ja potentsiaalselt vale loogikafunktsioon.

### Tootmisdefektid
Kiipide valmistamise ajal „kogunevad“ süsiniknanotorud loomupäraselt kimpudesse, moodustades pakse CNT kogumikke. Need kogumikud põhjustavad CNFET-ahela saagise vähenemise ja lubamatult kõrge osakeste saastumise määra väga suuremahulise tootmise jaoks.

### Varieeruvus
Energiatõhus CMOS digitaalloogika nõuab võimet valmistada komplementaarse polaarsusega CNFET-e (p-CNFET-e ja n-CNFET-e), millel on hästi kontrollitud omadused. Varasemad süsiniknanotoru CMOS-i digitaalloogika meetodid on tuginenud kas äärmiselt reaktiivsetele, õhu suhtes mittestabiilsetele, ränivabadele CMOS-iga ühilduvatele materjalidele või on neil puudunud häälestatavus, vastupidavus ja korratavus. See on oluliselt piiranud süsiniknanotoru CMOS-i demonstratsioonide keerukust (täielikku CNT CMOS-i digitaalsüsteemi pole veel valmistatud).

### Toksilisus
On tõstatatud mure süsiniknanotorude võimaliku toksilisuse pärast, mis on ajendanud uuringuid, mõistmaks nende mõju inimeste tervisele ja keskkonnale. 

Süsiniknanotorusid sisaldavate toodete tootmine ja valmistamine võib viia CNT-de võimaliku sattumiseni keskkonda. Nendel põhjustel võivad CNT-d kujutada endast tõsist ohtu inimeste tervisele. Inimesed puutuvad nanoosakestega kokku sissehingamise, allaneelamise ja naha kaudu imendumise kaudu. Pärast inimkehasse sisenemist jõuavad süsiniknanotorud kesknärvisüsteemi, kus nad võivad mõjutada neuronite tööd mitmes kesknärvisüsteemi piirkonnas, aidates kaasa erinevatele neuroloogilistele haigustele.

## Suuremad arenguhüpped

### Cedric
2013. aastal töötas Stanfordi ülikooli teadlaste meeskond välja maailma esimese süsiniknanotoru baasil töötava arvuti, mille nimeks sai Cedric. Tegemist oli ühebitise protsessoriga, millel oli 178 töötavat transistorit.

Stanfordi ülikooli meeskond töötas välja kiibid, kus on süsiniknanotorud  99,5% ulatuses paralleelsed ning eemaldasid valesti paigutatud nanotorud kõrgepingeliste impulsside abil. Sama tehnikaga kõrvaldati ka metallilised nanotorud.

Kokku paigutati ränioksiidist substraadile 197 süsiniknanotoru transistorit, millest 178 osutusid pärast selektiivset eemaldamist funktsionaalseks. Nendest ehitatud protsessor suutis täita ühe käsu, SUBNEG (ingl. subtract and branch if negative – lahuta ja haru, kui tulemus on negatiivne), mis tegi võimalikuks täisarvude lugemise, sorteerimise ning lülitumise erinevate töörežiimide vahel.

### RV16X-Nano
2019. aastal töötasid Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) teadlased koostöös Analog Devicesi inseneridega välja esimese programmeeritava 16-bitise süsiniknanotoru protsessori, millel oli 14 702 süsiniknanotoru transistorit, mis sisaldasid üle 10 miljoni süsiniknanotoru.

RV16X-NANO rakendas olulise osa 32-bitise RISC-V käsustikukomplekti arhitektuurist (käskude toomine, käskude dekodeerimine, registrite lugemine, mälu juurdepääs). RV16X-NANO suutis käivitada lihtsaid programme, sealhulgas "Tere, maailm!" tüüpi demonstratsioonrakendust. Üks selline programm trükkis ekraanile sõnumi: “*Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.*", ("Tere, maailm! Olen RV16XNano, valmistatud CNT-dest.").

RV16X-NANO oli loodud tehnoloogiate abil, mis on potentsiaalselt ühilduvad tänapäevaste ränikiibitehastes olevate tootmisprotsessidega. See tähistas olulist sammu süsiniknanotorudel põhinevate protsessorite massilisema tootmise suunas.

## Viited