Stanford scientists create world"s first carbon nanotube computer

In a finding that builds on earlier work from several institutions, including IBM, a team of electrical engineers at Stanford University today announced the creation of the first-ever computer based on carbon nanotubes.

斯坦福大學團隊製造出全球第一台碳納米管計算機

碳納米管（CNT）是主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。當它們被用來排列成晶體管時，極小的體積使得每個晶元中可以比硅晶體管放入更多的碳納米管。此外，碳納米管的優點還有更快的速度和更高的能量效率。這點尤其重要：硅材料製造的晶體管具有天然的限制，摩爾定律在 10 年內也將遭遇瓶頸。

---

知乎上首次回答邀請提問，謝邀.

最近似乎對CNT的討論很多，可能大多數人知道這個玩意兒都是因為最近炒得火熱的CNT computer chips（詳見http://www.nature.com/nature/journal/v501/n7468/full/501495a.html）。

但是請注意，文章的標題是 「The carbon-nanotube computer has arrived」，文章中只是簡單的報到了這樣的一個晶元已經成型，但請注意：具體chip 的性能隻字未提！這意味著什麼？ 很簡單---炒概念。挖了一個坑，但我認為不是什麼好坑。

其實CNT說簡單了，就是把graphene（石墨烯，單層的碳元素的形態，詳情請見2010 Nobel prize The 2010 Nobel Prize in Physics）捲起來成為筒狀。 至於石墨烯，一時多少豪傑，當年腐國曼大教授挖了一個大坑，引得無數人奮不顧身，到最後也沒能從本質上解決石墨烯沒有禁帶的問題（禁帶：固體物理概念，其的有無決定了一個材料是導體還是絕緣體），於是當年熱門的大坑漸漸的也沒有什麼人過來搬磚了。

單就CNT的特性而言，個人認為其就是個Joke，利用其力學性能還可能有搞頭，就電學性能而言除非有外太空科技否則終將被人遺忘。現在說說其的幾大槽點：

1. 如何大規模的、均勻的、同樣大小的生長。當今小小矽片上那幾十億個晶體管靠的都是先進的光刻技術，光刻保證了所有的晶體管都能按照設計刻蝕、氧化、澱積。而CNT靠的是生長，很簡單的說就是無數個碳原子成鍵、成型的過程，現在還沒有技術能夠保證那10E30+個原子能如磚塊一樣累積，因此從大規模的生產上就決定了這是一條死胡同。

2.CNT固有的特性，CNT的電學性能和碳納米管子的半徑有極大的關係，既然都不能保證CNT能整齊劃一的生長更何況半徑，電學性能的差異將會造成電路製造上的極大困難。

3.CNT還存在著大量未解決的工藝難題，例如 接觸電極、柵級氧化物，元素摻雜、等等，這些問題別人在挖坑的時候都不會提，否則也不會有那麼多人奮不顧身。

4.從一個半導體電子學博士的角度上看，硅就是造物主賦予人類的一大寶物，均衡的電學、熱學、力學特性決定了它就是歷史上的一朵奇葩（堪稱完美，沒有之一），加上其固有的氧化物-二氧化硅牛逼的絕緣性能，簡直就是為MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管，最基礎的電路元件）而生的。

5.一項半導體技術從研究到深入了解再到工業生產，是一項複雜龐大好時的工作，很多情況下要兼顧性能、成本、需求等各方面因素，不排除在未來有更多更先進的技術出現能夠將CNT帶到產業的前台。

碼了一個多小時，希望有所幫助。

-----------------------------------------------------以下為補充更新第一版-----------------------------------------------------

更新，感謝 知乎日報 用戶:婉熙_Blandyxixi 的評論

剛剛在IEEE SPECTRUM看到這篇文章，詳細報道了這台計算機的相關detail（詳見:First Computer Made From Carbon Nanotubes Debuts）。

文中指出這台cpu，1bit，工作頻率1kHz，內含178個CNT MOSFET。雖然性能略挫，但是對於一個新生的設計還是非常值得鼓勵的。

在上一版的回答中我忽略了一些問題，現在予以補充。

1. CNT的發現遠早於Graphene，在90年代 IBM的研究人員就已經開始了對其電學性能的討論（詳見The Discovery of Single-Wall Carbon Nanotubes at IBM），其的發現同Graphene沒有任何聯繫。關於這一點可能在上一版回答中有misleading 的嫌疑。

2. CNT本質是就是把graphene捲起來（好比把一張紙捲成紙筒），但CNT的特性和紙筒卷的方向和紙筒卷的半徑有極大關係（卷的方向好比 我可以沿著矩形紙片的對角線捲起也可以沿著矩形紙片的直邊捲起；卷的半徑很容易理解）。卷的半徑決定了CNT的禁帶寬度，卷的角度決定CNT是導體性質還是絕緣體性質的。

3.大規模生產上的問題，在上一版我只談到了CNT半徑所造成的困難，現在談一談CNT捲起來的方向，其將會導致生長出來的管子有的是半導體有的是絕緣體，姑且不談整齊劃一的生長半導體性質的CNT，如何把導體性的CNT去掉都會是個問題（IBM似乎有一套辦法，首次在Science報道，詳見Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown。 standford 的這篇Nature似乎用的也是這個辦法，但是從後續報道上看，似乎只能從統計學角度控制，不能完全消除導體性的CNT）。

4. 關於挖坑一說，其實所有所有的研究都是從挖坑開始的，坑挖的好就會誕生新的學科和乃至改變人類的命運，坑的好壞也會隨著時間的推移而變化（可以參考 nano-inprint，一種新型的半導體版圖製造技術）。生不逢時可能用在填坑（注意不是挖坑，而是填坑）比較形象，錯誤的時間選擇一個爛坑，錯誤的時間選擇一個好坑，正確的時間選擇一個爛坑都只會讓你博士期間數年的努力永遠的埋在論文集里。唯一的出路就是在正確的時間選擇一個好坑，可是這又有誰能預言呢？ （臨表涕零，不知所言了，請原諒）

目前想說的就這麼多，希望有幫助。

---------------------------------------以下為補充更新第二版----------------------------------------------------
更新，忘記stanford的報道了（詳見A first: Stanford engineers build basic computer using carbon nanotubes），發現忽略了一些問題。

1, 這台computer 全部由PMOSFET構成。在當前大規模集成電路工業中，數字電路的基礎是CMOS（詳情請wiki CMOS，其實由NMOS 和PMOS 兩個晶體管構成的互補型晶體管），由單個類型晶體管構成集成電路早已是上個世紀的事物了（單個類型的晶體管會存在漏電流很大的問題，只適合少數晶體的集成，而不適合大規模的電路）。

2關於只用PMOSFET想必也有研究人員自己的苦處。我想可能有兩個主要問題：1） 一個襯底上集成兩種完全不同的晶體管的工藝複雜度將會極大的增加而不是簡單的加成，如果只是簡單炒概念的話沒必要費這麼大勁弄一個效果差不多的東西，重要的是demonstrating 而不是 outperforming。2）CNT NMOSFET 存在很大的難題，尚未得到完全的解決，據我所知是 N 型晶體管的半導體接觸的電阻一直降不下來。 如果弄出來NMOSFET CNT computer 想必又是一篇 science or nature； 如果再更進一步弄個NMOSFET和PMOSFET在一起，又是一篇science or nature。

3.這台computer 用到的晶體管都是背柵（back gate）而不是 頂柵（top gate）。背柵意味著控制電壓都加在襯底上（襯底即承載著所有晶體管的載體），而不是單個的晶體管上，這意味著所有的晶體管都將只受一個電壓的控制，這會是個很大的問題。顯而易見，集成電路要的是對單個晶體管的控制，這樣方能實現有的管子開啟有的管子關斷，才能實現二進位數位。抱歉這裡可能有些過於細節，就不再贅述了。

4.其實 IBM早就弄出來CNT的 chips了（詳見 Nature Nanotechnology： High-density integration of carbon nanotubes via chemical self-assembly : Nature Nanotechnology : Nature Publishing Group），人家有好幾千個管子呢。stanford這篇nature的主要賣點其實不多，可能因為是第一個把這麼多管子連在一起組成複雜電路的吧。

再次強調一點，任何新鮮的事物的開始都會伴隨著很多棘手的問題，不能排除CNT在未來的某一天能走到產業的前台，走向千家萬戶，但可以肯定的是在未來的若干十年（~30）內把CNT扶正是不可能的，硅還堅挺著呢！

前前後後斷斷續續的碼了不少字，有些論點可能還不夠充分，還望各位指正。

---

傳統硅材料的加工工藝經過了幾十年的沉澱，是非常成熟而且低成本的工藝。新材料想要想要進入應用，兼容現有的硅工藝是必須的。我認為CNT並非取代傳統硅材料，而是會以融入到已有的硅工藝提升硅晶體管性能的方式來應用。（CNT有比硅更高的載流子遷移率是因為電子在CNT管道里跑受到晶格散射的影響比較小，形象地比喻就像是地鐵、BRT這種擁有專門通道的交通工具比汽車在地面錯綜的道路上跑得更快。）

應用方面，我沒有了解過詳細情況，但猜想大概會有幾個需要考慮的問題：

1. 工業生產中如何大規模、低成本的形成CNT？CNT的規格：長度、半徑的控制
2. 怎樣將CNT分布在硅晶體管的溝道區，並形成統一的方向？也就是納米材料的自組裝的問題。從發布的信息來看是化學鍵組裝

High-density integration of carbon nanotubes via chemical self-assembly
http://www.nature.com/nnano/journal/v7/n12/full/nnano.2012.189.html


一些相關新聞：
IBM creates first high-density, self-assembled carbon nanotube computer chip
IBM brings carbon nanotube-based computers a step closer

時間有限，寫得比較倉促。有空繼續更新

---

一個政權推倒另一個政權，這豈不是要讓IC界那麼多辛辛苦苦的搬磚人失業么？廣大ICer的根本利益肯定是不能妥協的！樂一樂。我去年在實驗室長了一批Graphene，個人認為這東西離產業化實在是太遠了。

---

二十年的老梗了

---

夠嗆，就像吳恆說的，除非你能找到一個辦法，能夠像生產矽片一樣大規模生產大小，性能一模一樣的CNT.從現在看來，這還是個天方夜譚，現在能買到的CNT大部分都是導體，半導體的混合物，純的導體CNT是很難分離的,巨貴無比。

---

推薦閱讀：