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www.9927.com美国防部斥巨资促进"芯片革命":硅芯片

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  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%。

这种温度上的差异是由石墨烯材料与硅半导体加工方式不同造成的,构建芯片的晶体管并非是蚀刻加工的,而是"生长"出来的。石墨烯3D芯片制造靠的是化学而非物理作用。

  硅芯片正接近物理极限

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。

  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。

最后一类关注整合材料的问题,即制造芯片材料的整合问题,包括3D片上系统(3dSoC)和新计算基础需求分析(FRANC)。

  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。

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。

  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。”

一类关乎计算机体系结构,包括:软件定义硬件(SDH)和区域片上系统(DSSoC),主要关注硬件与软件之间独立性和兼容性的问题。

  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。

之所以这样说是因为该团队并未解决生产石墨烯芯片带来的良品率问题。所谓200万个碳纳米晶体管由计算、输入输出和采集系统组成,并构成了100万个气味传感器。也就是说,这些晶体管几乎全部用于制作气味传感器了,而气味传感器的容错性是非常强的。100万个传感器中即使损坏几万个也不会对芯片产生毁灭性的影响。

  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”。

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  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。

(该团队在3DSoC分项中获得了绝大多数赞助)

  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。

(Max Shulaker教授像)

  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。

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。

www.9927.com,  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。

(论文配图可以明显看出不是纯石墨烯芯片)

  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。

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"。

  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。

美国的这一计划分为三个部分:

  此外,DARPA项目还支持对灵活芯片架构的研究。

Max教授在另一篇论文中也承认"碳纳米管(加工中)容易改变,这会降低电路产量, 降低电路的抗干扰能力, 并严重降低其能源和速度效益。为了克服这一突出的挑战, 需要探索和优化碳纳米管处理方案和 CNFET 电路设计。"

  新材料、新架构受追捧

说取代传统硅芯片为时尚早

  本文来自《科技日报》,记者/刘霞。

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。

  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。

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。

  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。

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  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”。

第一批入围该项目资助的有来自于全美国的43个团队,其中来自麻省理工学院Max Shulaker团队独得6100万美元位列第一,而这一数字也远高于同为研究3DSoC的佐治亚理工学院团队的310万美元。目前该团队主要的研究内容是将石墨烯材料用于制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。据称该团队的研究内容将有望以更低的成本实现50倍计算性能的提升。

  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。

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。

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大投资、新材料加上号称数量级的性能提升为这支石墨烯3D芯片团队赚足了眼球。国内也有不少公众号转发了这一消息,有的更将其称之为"美国电子复兴计划中的绝对核心",并称该类芯片将在人工智能领域大显身手。那么我们不禁要问,石墨烯3D芯片是什么?真的有这样的威力吗?

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