晶圓包含數(shù)百個(gè)由碳納米管制成的微型計(jì)算機(jī)芯片，與硅制成的晶體管相比，它可以更快、更有效地開關(guān)。圖片來源：《科學(xué)》雜志官網(wǎng)
硅計(jì)算機(jī)芯片從面世到現(xiàn)在已走過50多個(gè)春秋，正如一個(gè)邁入老年的人，硅芯片創(chuàng)新的步伐已明顯放緩?，F(xiàn)在，美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）“受命于危難之間”，開始著手解決這一問題。
據(jù)美國《科學(xué)》雜志官網(wǎng)報(bào)道，7月24日，DARPA宣布了一項(xiàng)總額7500萬美元的計(jì)劃，旨在通過提升包括碳納米管在內(nèi)的新材料和新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究，重振芯片產(chǎn)業(yè)。在接下來的5年內(nèi)，DARPA的這一項(xiàng)目每年都將增長到3億美元，總計(jì)15億美元，為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人士提供相關(guān)資助。
對此，美國卡耐基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)政策專家埃里卡·福斯欣喜地表示：“到了必須進(jìn)行這一步的關(guān)鍵時(shí)刻了。”
硅芯片正接近物理極限
1965年，英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出，芯片上可容納的晶體管數(shù)目，大約每18個(gè)月增加一倍——這就是我們所熟知的摩爾定律。
在隨后30年中，通過縮小芯片上元件的尺寸，芯片發(fā)展一直遵循著摩爾定律。然而進(jìn)入21世紀(jì)，單純依靠縮小尺寸的做法已經(jīng)明顯走到尾聲。
如果芯片縮小至2納米，那么單個(gè)晶體管將只有10個(gè)原子大小，如此小的晶體管，其可靠性很可能存在問題。而隨著晶體管的連接越來越緊密，另一個(gè)問題也凸顯出來——芯片功耗將越來越大。
麻省理工學(xué)院（MIT）電氣工程師馬克斯·蘇拉克說，此外，如今芯片的運(yùn)行速度已經(jīng)停滯不前，且每次推出的新一代芯片能效只能提高30%。
諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的無線通訊專家格雷戈瑞·賴特指出，制造商正在接近硅的物理極限。電子被局限于僅100個(gè)原子寬的硅片內(nèi)，迫使科學(xué)家需要采用復(fù)雜的設(shè)計(jì)來阻止電子泄漏而導(dǎo)致錯(cuò)誤，“我們目前已經(jīng)沒有多少改進(jìn)空間，需要另辟蹊徑了”。
密歇根大學(xué)安娜堡分校計(jì)算機(jī)科學(xué)家瓦萊里婭·貝爾塔科表示，只有少數(shù)幾家公司能負(fù)擔(dān)得起耗資高達(dá)數(shù)十億美元的芯片制造工廠，這會(huì)扼殺這一曾經(jīng)由小型創(chuàng)業(yè)公司主導(dǎo)的領(lǐng)域的創(chuàng)新。
福斯說，一些大公司開始為特定任務(wù)設(shè)計(jì)專用芯片，這極大地降低了他們?yōu)榭梢怨蚕淼幕A(chǔ)研究付費(fèi)的動(dòng)力。福斯及其同事的一項(xiàng)研究指出，1996年，有80家公司加入了位于北卡羅來納州的半導(dǎo)體研究社團(tuán)，到2013年，這一數(shù)字減少為不到一半。
新材料、新架構(gòu)受追捧
DARPA正努力填補(bǔ)這一空白，為包括蘇拉克在內(nèi)的研究人員提供資助。蘇拉克正在使用由碳納米管制成的晶體管制造3D芯片，相比硅晶體管，碳納米管晶體管能夠更快更有效地開關(guān)。
目前已有多家公司使用硅片制作3D芯片，以便將邏輯和存儲(chǔ)功能更緊密地結(jié)合在一起，從而加快處理速度。但由于在芯片層之間傳輸信息的線路過于龐大而且分散，導(dǎo)致這種芯片的速度變慢。而且，由于二維硅芯層必須在超過1000攝氏度的高溫下單獨(dú)制造，因此，無法在現(xiàn)有的集成制造計(jì)劃中，在不熔化第三層的基礎(chǔ)上構(gòu)建3D芯片。
蘇拉克解釋說，碳納米管晶體管幾乎可在室溫下制造，為密集的集成3D芯片提供了更好的途徑。盡管其團(tuán)隊(duì)的3D芯片將比最先進(jìn)的硅設(shè)備大10倍，但這種芯片的速度和能效預(yù)計(jì)將提高50倍，對于耗電量巨大的數(shù)據(jù)中心來說，這不啻為一大福音。
此外，DARPA項(xiàng)目還支持對靈活芯片架構(gòu)的研究。
亞利桑那州立大學(xué)的無線通訊專家丹尼爾·布利斯及其同事希望，利用可以即時(shí)重新配置以執(zhí)行特定任務(wù)的芯片來改善無線通訊的效果。布利斯正致力于研制利用軟件而非硬件來混合和過濾信號的無線電芯片，這一進(jìn)步將使更多設(shè)備能夠無干擾地發(fā)送和接收信號。他說，這可以改善移動(dòng)和衛(wèi)星通信，并加快讓無數(shù)設(shè)備彼此之間通信的物聯(lián)網(wǎng)的增長。
DARPA提供的另一項(xiàng)資助將授予斯坦福大學(xué)的研究人員，用于改進(jìn)芯片制造中使用的計(jì)算機(jī)工具。這些工具通過被稱為機(jī)器學(xué)習(xí)的星空人工智能來驗(yàn)證新穎的芯片設(shè)計(jì)。它們將有助于檢測由數(shù)十億個(gè)晶體管組成的芯片中的設(shè)計(jì)缺陷，這一過程以前大部分都是手動(dòng)完成，新工具有助于加快這一任務(wù)的自動(dòng)化程度，提升公司測試和制造新芯片架構(gòu)的能力。
斯坦福大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程師、3D碳納米管和電路驗(yàn)證項(xiàng)目研究員瑟巴哈斯希·密特拉說，即便只有小部分新項(xiàng)目取得成功，DARPA的最新資助計(jì)劃“也將徹底改變我們設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的方式”。他表示，這也將促使工程師們超越已在芯片領(lǐng)域盤踞數(shù)十年的硅，“現(xiàn)在看來很明顯，硅會(huì)沿著已知路徑前進(jìn)，但我們清楚地知道，未來不是這個(gè)樣子”。
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