「カーボン・ナノチューブ、 45nm以降は銅配線よりも有効に」記事へのコメント

よく分からない

[glasstic (32934)]

CNTの配線が低抵抗で、微細化できるのは分かっていたと思いますが、
低発熱になるってのがよく分からない。

LSIの発熱（消費電力）のほとんどは、トランジスタの部分で、
残りは配線間の容量による損失だと思っていました。
CNTにしたら、何が解決するのでしょうか。元記事を読んでもよく分かりませんでした。
量子力学で、その辺りが説明できるのでしょうか？

高温環境下での金属内電導の限界（Re:よく分からない）

[Artane. (1042)]

肝は、プレスリリース [rpi.edu]のこの辺では？

The size of computer chips has shrunk dramatically over the past decade, but has recently hit a bottleneck, Nayak said.
Interconnects, the tiny copper wires that transport electricity and information around the chip and to other chips, have also shrunk.
  As interconnects get smaller, the copper’s resistance increases and its ability to conduct electricity degrades.
This means fewer electrons are able to pass through the copper successfully, and any lingering electrons are expressed as heat.
This heat can have negative effects on both a computer chip’s speed and performance.

例によっていい加減に翻訳してみますB)

コンピュータチップの大きさは「十年一昔」を越えるかのように劇的に縮んではいるが、最近はボトルネックにぶつかりつつもある。とNayakは言う。
（コンピュータチップ上の)配線が小さくなると言うことは、(配線材である)銅の電気抵抗を増して、導電性を悪くする。
これはわずかな電子しか銅の中を通せない事を意味し、そして電子の励起を誘発し、急速な発熱を引き起こす。
この発熱はコンピュータチップの速度と効率の両方に悪影響を及ぼす。

この記事では、銅配線に対するカーボンナノチューブの優位性の根本自体には触れられていないようですが、カーボンナノチューブ自体の特性として、
http://www.nano-dev.jst.go.jp/nanodev/handbook-shino.html [jst.go.jp]より抜き出して引用：

１） フラーレンの研究を進める過程で、1991年飯島澄男博士により発見された。

２） カーボンナノチューブは同じ炭素の仲間の一つであるグラファイトシートを丸めて筒状にして両端をとじたものと思ったらいい。

４） チューブは螺旋構造をもち、そのピッチを変えることで金属的性質を持たせたり、半導体的性質を持たせることが出来る。

５） アーク放電法、レーザ加熱法や鉄などの触媒を用いた炭化水素系ガスの気相化学反応法などの製法が用いられているが狙った構造のものを大量に製造する技術の確立はこれからである。

７） フラーレンを内包したエンドー豆状のチューブや、Y字型などの構造の自由度も広がって新しいデバイスへの展開性も期待されている。

フラーレンと言う物質自体が非常な曲者で、同じページの解説によると、

名前の由来は、バックミンスター・フラー氏が設計したドーム建築が似た形であることからといわれている。
たった１ナノメートルのサッカーボールは毎秒１億回転という想像を絶する速さで回転しているという。

銅酸化物に迫る超伝導特性や、磁石になるなど興味深い報告が続いている。

最低でも電子を極めて通しやすい現存のカーボンナノチューブ内部での電子の挙動と45nmプロセス以下の細さの銅配線内部での電子の挙動をシミュレーションした場合に、対象カーボンナノチューブの方が余計な電子の励起が確実に少ないと言う結果が出されたという事では無いですか？

これは、簡単に言えば、微細配線の素材があくまでも銅ならば、極低温で超電導状態にしなければ得られない特性を、比較的高温の（室温程度が目論見？）カーボンナノチューブで実現可能だということではないかと思いますけど。

ひょっとしたらフラーレンなどと組み合わせて高温超電導体化したカーボンナノチューブでの高温超電導環境下での電子の挙動についても調べたのかも知れませんが、この辺は論文が我々の目に入るようになってからでないとなんとも言えないです。

要するに低抵抗という話なのだと

[kamesan (23069)]

論文はこれじゃないかと。
Y. Zhou et al., J. Phys.: Condens. Matter, 20, 95209 (2008)
アブストラクトはこちら。 [iop.org]

流し読んだだけなのですが、ざっとまとめてしまえば、銅細線は幅40nm程度にまでなると古典的なオームの法則で予測された以上に抵抗が増大する、一方で同じ太さのCNT束を評価してみると銅細線よりも抵抗が小さかった、という話のようですね。

発熱についてプレスリリースで触れているのは、単にわかりやすい話だからではないでしょうか。実際に抵抗が大きくなってくれば無視できなくなるだろうし。トランジスタと比べてどの程度になるのかは知りませんが。どちらにしろ、遅延の問題もありますから、配線抵抗は小さいにこしたことはありません。

もっともプロセス技術が開発されないことにはどうしようもないわけですが。水平方向の引き回しについてはどうにも難しそうですが、垂直方向のビア配線なら最近はだいぶ研究が進んでいるようですね。こっちなら実用化も夢ではないんじゃないかなーなんて思ってます。

Re:高温環境下での金属内電導の限界

[glasstic (32934)]

そこしか言及している部分がないと思いますが、結局のところ抵抗が下がると言うことですよね。
配線抵抗は、LSIの消費電力にあまり影響しないでしょう。動作速度には影響しますが。

消費電力は何かと考えると、結局のところ負荷容量の充放電です。（最近はこれに加えてリーク電流もあります）
MOSのゲート容量や、配線容量が下がれば消費電力も減るでしょうが、
抵抗が減っても充放電が速くなるだけで、充放電のエネルギーは変わりません。

CNT配線で配線遅延が減れば、同じ速度を保つなら、その分銅配線よりもMOSを遅くすることができ、結果的にリーク電流が減る。
こういう、遠まわしな考えはできなくもないですが。

Re:高温環境下での金属内電導の限界

[the.ACount (31144)]

小さくすれば容量は減って抵抗が増えるから、微細化の障害は抵抗の方だって事でしょう。

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the.ACount