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美国防部斥巨资促进,摩尔定律放缓

文章作者:外国军情 上传时间:2019-08-30

  DARPA提供的另一项资助将授予斯坦福大学的研究人员,用于改进芯片制造中使用的计算机工具。这些工具通过被称为机器学习的人工智能来验证新颖的芯片设计。它们将有助于检测由数十亿个晶体管组成的芯片中的设计缺陷,这一过程以前大部分都是手动完成,新工具有助于加快这一任务的自动化程度,提升公司测试和制造新芯片架构的能力。

这种方式在一定程度上有其优越的一面,另一方面,如何大规模的、均匀的、同样大小的生长碳纳米晶体管也是令人头疼的问题。

  本文来自《科技日报》,记者/刘霞。

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片,拥着四个集成电路层,并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元(RRAM)和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个组合型的气味探测芯片,而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

  苏拉克解释说,碳纳米管晶体管几乎可在室温下制造,为密集的集成3D芯片提供了更好的途径。尽管其团队的3D芯片将比最先进的硅设备大10倍,但这种芯片的速度和能效预计将提高50倍,对于耗电量巨大的数据中心来说,这不啻为一大福音。

自从特朗普把"美国优先"树立为美国政府制定政策的标准以来,美国的各个产业部门都应景地涌现出"使美国再次伟大"的方案和计划来,其中自然少不了电子行业。美国国防高级研究计划局(DARPA)作为美国军用技术研究主要管理部门适时地启动了电子复兴计划。

  麻省理工学院(MIT)电气工程师马克斯·苏拉克说,此外,如今芯片的运行速度已经停滞不前,且每次推出的新一代芯片能效只能提高30%。

这样的芯片能否证明碳纳米晶体管生产的稳定性和可靠性是值得怀疑的。

  亚利桑那州立大学的无线通讯专家丹尼尔·布利斯及其同事希望,利用可以即时重新配置以执行特定任务的芯片来改善无线通讯的效果。布利斯正致力于研制利用软件而非硬件来混合和过滤信号的无线电芯片,这一进步将使更多设备能够无干扰地发送和接收信号。他说,这可以改善移动和卫星通信,并加快让无数设备彼此之间通信的物联网的增长。

今天引入的新材料,如果不能解决上面这些关键问题,面对的壁垒比当年的锗半导体材料只大不小,所以Max最近的研究开始向石墨烯辅助硅转变。

  在随后30年中,通过缩小芯片上元件的尺寸,芯片发展一直遵循着摩尔定律。然而进入21世纪,单纯依靠缩小尺寸的做法已经明显走到尾声。

(随之制程的减小,门延迟降低而连线延迟上升)

  密歇根大学安娜堡分校计算机科学家瓦莱里娅·贝尔塔科表示,只有少数几家公司能负担得起耗资高达数十亿美元的芯片制造工厂,这会扼杀这一曾经由小型创业公司主导的领域的创新。

Max教授在他近期的论文中宣称:"该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造,而传统的工艺需要1000度"。低温有助于大大增加集成电路层之间的纵向联系,按该论文的说法,石墨烯3D芯片的纵向联系比传统方式增加了1000倍。而这种联系有助于解决大型集成电路元件中带宽障碍的问题。

  诺基亚贝尔实验室的无线通讯专家格雷戈瑞·赖特指出,制造商正在接近硅的物理极限。电子被局限于仅100个原子宽的硅片内,迫使科学家需要采用复杂的设计来阻止电子泄漏而导致错误,“我们目前已经没有多少改进空间,需要另辟蹊径了”。

2017年这次Max教授的研究成果之所以受人瞩目,一方面是因为芯片中集成的碳纳米晶体管数极大地增加到200多万个,另一方面是因为"电子复兴计划"宣称该团队的成果有望以更低的成本实现50倍的性能提升。

  目前已有多家公司使用硅片制作3D芯片,以便将逻辑和存储功能更紧密地结合在一起,从而加快处理速度。但由于在芯片层之间传输信息的线路过于庞大而且分散,导致这种芯片的速度变慢。而且,由于二维硅芯层必须在超过1000摄氏度的高温下单独制造,因此,无法在现有的集成制造计划中,在不熔化第三层的基础上构建3D芯片。

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  DARPA正努力填补这一空白,为包括苏拉克在内的研究人员提供资助。苏拉克正在使用由碳纳米管制成的晶体管制造3D芯片,相比硅晶体管,碳纳米管晶体管能够更快更有效地开关。

之所以人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的材料,用Max教授的2013年的话说就是:"与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料"。

  斯坦福大学电气和计算机工程师、3D碳纳米管和电路验证项目研究员瑟巴哈斯希·密特拉说,即便只有小部分新项目取得成功,DARPA的最新资助计划“也将彻底改变我们设计电子产品的方式”。他表示,这也将促使工程师们超越已在芯片领域盘踞数十年的硅,“现在看来很明显,硅会沿着已知路径前进,但我们清楚地知道,未来不是这个样子”。

石墨烯芯片还存在很多问题

  福斯说,一些大公司开始为特定任务设计专用芯片,这极大地降低了他们为可以共享的基础研究付费的动力。福斯及其同事的一项研究指出,1996年,有80家公司加入了位于北卡罗来纳州的半导体研究社团,到2013年,这一数字减少为不到一半。

负责此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max Shulaker,Max教授早在斯坦福大学就读博士时就有惊人的理论成果。他所在的团队开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

  据美国《科学》杂志官网报道,7月24日,DARPA宣布了一项总额7500万美元的计划,旨在通过提升包括碳纳米管在内的新材料和新设计的基础研究,重振芯片产业。在接下来的5年内,DARPA的这一项目每年都将增长到3亿美元,总计15亿美元,为学术界和产业界人士提供相关资助。

该计划旨在团结美国的产业界和学术界,以重振美国略显颓势的芯片产业。因其宣称将改变微电子行业的生产方式,所以有的媒体也鼓吹美国的电子复兴计划将引发第二次电子革命。

  新材料、新架构受追捧

由于Max教授2013年的辉煌过往,几乎国内所有的报道都把此处的3DSoC当作是完全的石墨烯芯片,而且把Max 2017年发表的论文视为其2013年的那篇论文的发展和延续,而忽略了二者存在的明显区别。

  硅计算机芯片从面世到现在已走过50多个春秋,正如一个迈入老年的人,硅芯片创新的步伐已明显放缓。现在,美国国防部高级研究计划局(DARPA)“受命于危难之间”,开始着手解决这一问题。

笔者认为,现在说石墨烯3D芯片取代传统硅芯片还有许多困难,该团队的宣传无疑存在相当的水分。

  此外,DARPA项目还支持对灵活芯片架构的研究。

此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯构成

  硅芯片正接近物理极限

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

  1965年,英特尔公司联合创始人戈登·摩尔提出,芯片上可容纳的晶体管数目,大约每18个月增加一倍——这就是我们所熟知的摩尔定律。

2013年全球首台碳纳米晶体管计算机诞生时Max Shulaker教授说:"这是人类利用碳纳米管生产的最复杂的电子设备。"而这台计算机仅仅只有178个晶体管,同时只能运行支持计数和排列等简单功能的操作系统。这与当时的硅半导体计算机存在数千万倍的差距。

  如果芯片缩小至2纳米,那么单个晶体管将只有10个原子大小,如此小的晶体管,其可靠性很可能存在问题。而随着晶体管的连接越来越紧密,另一个问题也凸显出来——芯片功耗将越来越大。

(Max Shulaker教授像)

  对此,美国卡耐基梅隆大学计算机科学政策专家埃里卡·福斯欣喜地表示:“到了必须进行这一步的关键时刻了。”

美国的这一计划分为三个部分:

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