花园是普通人和大自然可以合作的地方。(这是美式意义上的“花园”，不一定是英式意义上的“院子”，美国人会把它叫做“院子”。)你决定好你想把植物种在哪里——花、灌木、蔬菜等等——然后你就把它们种下去。你可以把已经处于青春期的种子、幼苗或植物放下去。他们可能会也可能不会生存或茁壮成长，但是，至少(不像人类的青少年)，你知道他们会在哪里。

我女儿几周前给我买了一套家用蘑菇工具包。这是其中一种，你拿一个盒子，里面或多或少有一大块菌丝体，然后你打开它，浸泡它，看，蘑菇在某个时候出现了。然而，与精心设计的花园不同，你并不知道蘑菇会在哪里发芽。它们在哪里出现就在哪里出现，有的可能更大，有的可能更小;这是你无法真正控制的事情。

这种从计划到管理随机的转变正在从标准硅CMOS到碳纳米管(CNTs)的转变中发生。诚然，碳纳米管在很大程度上仍处于研究阶段，但目前所做的大部分工作都是专门针对管理碳纳米管的一些独特的随机属性。

碳纳米管本质上是一块石墨烯(它是蜂窝状的单层碳原子)卷成一个管。至少在理论上，它的性能预计将是硅的许多倍。要做到这一点并不那么容易，因为我们对碳纳米管的产生和生长控制较少——至少现在是这样。

用标准的硅，我们创造我们的设备，就像我们规划我们的花园。我们决定把什么放在哪里，然后在那里建造。是啊，它们并不总是管用，但至少我们知道它们会在哪里。相比之下，碳纳米管更像蘑菇块:它们是生长出来的，在生长过程中表现出令人沮丧的变化无常，而大自然母亲似乎太容易出现这种变化。

生长碳纳米管有许多不同的方法，其中许多涉及到用于在某些表面形成种子的其他材料的催化比特。结果可以有很大的不同-不同的管的厚度或方向-甚至管中管。要让这样一个疯狂而混乱的操作适应制造业似乎确实是一个挑战。

斯坦福大学的一个团队一直在广泛研究这个问题，你会看到苏哈什·米特拉教授在许多会议上发表论文，讨论他们解决这些问题的方法，接下来的大部分内容都来自这些想法的提炼。特别是，他们发现石英衬底形成了一个方便形成长管的成核表面。一旦生长，它们就可以被物理转移到硅片上进行进一步加工。

因此，理想情况下，你会生长出一层均匀的紧密间隔的平行管，长度与衬底一样长，然后，一旦转移到硅上，你会将它们蚀刻成单个晶体管所需的长度——碳纳米管fet，或cnfet——掺杂它们，并在它们上面沉积金属作为接触。听起来简单。只不过这是大自然把事情弄得一团糟的地方。

有很多变化会影响这些管，其中许多在实际电路中影响较小(稍后详细介绍)。其中有两种特别突出:碳纳米管(金属或半导体)的类型，好吧，我们现在称它为“蛇形”。

首先，管的类型。事实证明，在这张卷石墨烯的图片中，如何卷很重要。尤其重要的是，你把管子“拧”了多少。这被称为“手性”，它导致一些管子像半导体一样工作——我们想要这些——而另一些则像简单的电线。如果你想要电线，电线也不错，但如果你要制造一个晶体管，那么电线只会使源极和漏极同时短路。

目前的问题是，你无法控制这些管道的发展方向。这是概率问题。

第二个问题是我所说的“蛇行”。我这样称呼它是因为碳纳米管在生长过程中没有跟上漂亮的石英晶粒。相反，它可能会在一段时间内呈线性，然后偏离到其他颗粒上，然后继续在那里呈线性增长。就好像它脱轨了;从物理上看，它看起来像蛇一样蜿蜒，而不是像一条漂亮的直线。

这里的问题是，如果你打算让这个管从一个晶体管的源极直接到漏极，而相反，例如，它从那个晶体管的源极突然跳到a的漏极不同的相邻的晶体管，那你就有麻烦了。现在您已经改变了电路的逻辑。

斯坦福大学团队所做的不仅仅是试图提高碳纳米管的产量和性能。这是有可能的，例如，即使99%的半导体CNTs (sCNTs)，也就是说1%的金属CNTs (mCNTs)仍然会造成严重破坏。我假设你不能容忍在硅电路中出现1%的随机电线;对，碳纳米管是这样的。因此，该团队一直专注于缓解策略。你如何学会与之共存并管理它呢?

实际上，这种变化的影响有两个优先级。最高优先级是确保电路不会完全失效。第二点是确保业绩是相对可预测的。

在第一种情况下，团队已经确定了一些布局算法来消除蛇和mcnt的影响。当蛇穿过“轨迹”时，可以通过遮蔽和蚀刻来消除它们。这通常发生在两个晶体管或栅极之间的无人区，用于蚀刻不需要的金属以形成栅极的掩膜也可以用于消除在该区域交叉的碳纳米管。他们声称这种布局算法可以有效地砍掉所有蛇头。

接下来是mcnt的问题，解决方案是，一旦晶体管形成，就在电极上施加高压，破坏任何金属连接。mcnt被像保险丝一样有效地处理，并被吹散以将其从画面中移除。

这些技术处理诱导失效的CNTs。现在剩下的问题是表现。事实上，根据Mitra教授团队的说法，碳纳米管的变化可以使碳纳米管电路在16纳米节点上比硅电路的性能优势减少60%。付出了这么多，也算是回报了。

大部分问题来自晶体管相关性。为了满足大多数晶体管的驱动电流需求，制造一个晶体管需要几个碳纳米管。换句话说，会有多个碳纳米管从源头到排泄，而栅极会覆盖所有这些碳纳米管，并将它们视为一个。

但是在一个给定的晶体管中，碳纳米管的数量是不同的。首先，碳纳米管的密度并不一致——有些碳纳米管的间距会比其他碳纳米管的间距更近。这意味着你可以将栅极的尺寸设置为5碳纳米管，但实际上，有时可能会覆盖4碳纳米管，有时甚至是6碳纳米管。这是晶体管驱动能力的显著变化。

第二，即使密度均匀，一些碳纳米管也会被吹出，因为它们是金属的。事实上，即使在蛇形的情况下，你可能有一个从一个轨道开始，到另一个轨道结束的管:沿着左边的轨道，更高的晶体管将使用碳纳米管;较低的晶体管，也就是它蜿蜒流过的地方，则不会。在右边，情况正好相反:更高的晶体管，也就是蜿蜒的碳纳米管上方，会比下方的晶体管少一个碳纳米管。

斯坦福大学的研究小组通过布局规则和门大小算法来解决这个问题。例如，如果两个晶体管需要紧密相关，则将它们沿相同的CNTs放置，以获得相同的密度和mCNT效应(尽管它们可能仍然会受到蛇形效应的影响)。栅极大小算法试图找到一个最优点，在这个点上，由于变化敏感性而导致的延迟惩罚以尽可能少的能量惩罚(当你扩大栅极时)降低。

除了这两种，还有其他形式的变化:斯坦福大学团队在几周前发表的IEDM论文中，将碳纳米管直径、排列和掺杂变化列为其他来源。如果每个晶体管都依赖于一个碳纳米管，这将是非常重要的问题。然而，由于晶体管将使用多个碳纳米管，平均会使这些影响不那么显著。根据他们所做的模拟，碳纳米管计数的变化——由于mcnt和密度的变化——占总体变化的37%，而其他三个成分加起来占5%。

因此，我们在建造硅fet时所习惯的整洁的园艺方案将需要让位于一种更有概率的方法，即利用它们碰巧形成的蘑菇。但是，如果碳纳米管的承诺是真实的，并且我们学会了处理它们的一些不整洁的特性，我们希望能从这些蘑菇中获得一些魔力。

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