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來(lái)源：科技日報 硅計算機芯片從面世到現在已走過(guò)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在，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）“受命于危難之間”，開(kāi)始著(zhù)手解決這一問(wèn)題。 據美國《科學(xué)》雜志官網(wǎng)報道，7月24日，DARPA宣布了一項總額7500萬(wàn)美元的計劃，旨在通過(guò)提升包括碳納米管在內的新材料和新設計的基礎研究，重振芯片產(chǎn)業(yè)。在接下來(lái)的5年內，DARPA的這一項目每年都將增長(cháng)到3億美元，總計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)計算機科學(xué)政策專(zhuān)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(guò)縮小芯片上元件的尺寸，芯片發(fā)展一直遵循著(zhù)摩爾定律。然而進(jìn)入21世紀，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(wèn)題。而隨著(zhù)晶體管的連接越來(lái)越緊密，另一個(gè)問(wèn)題也凸顯出來(lái)——芯片功耗將越來(lái)越大。 麻省理工學(xué)院（MIT）電氣工程師馬克斯·蘇拉克說(shuō)，此外，如今芯片的運行速度已經(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)驗室的無(wú)線(xiàn)通訊專(zhuān)家格雷戈瑞·賴(lài)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，迫使科學(xué)家需要采用復雜的設計來(lái)阻止電子泄漏而導致錯誤，“我們目前已經(jīng)沒(méi)有多少改進(jìn)空間，需要另辟蹊徑了”。 密歇根大學(xué)安娜堡分校計算機科學(xué)家瓦萊里婭·貝爾塔科表示，只有少數幾家公司能負擔得起耗資高達數十億美元的芯片制造工廠(chǎng)，這會(huì )扼殺這一曾經(jīng)由小型創(chuàng )業(yè)公司主導的領(lǐng)域的創(chuàng )新。 福斯說(shuō)，一些大公司開(kāi)始為特定任務(wù)設計專(zhuān)用芯片，這極大地降低了他們?yōu)榭梢怨蚕淼幕A研究付費的動(dòng)力。福斯及其同事的一項研究指出，1996年，有80家公司加入了位于北卡羅來(lái)納州的半導體研究社團，到2013年，這一數字減少為不到一半。 新材料、新架構受追捧 DARPA正努力填補這一空白，為包括蘇拉克在內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(kāi)關(guān)。 目前已有多家公司使用硅片制作3D芯片，以便將邏輯和存儲功能更緊密地結合在一起，從而加快處理速度。但由于在芯片層之間傳輸信息的線(xiàn)路過(guò)于龐大而且分散，導致這種芯片的速度變慢。而且，由于二維硅芯層必須在超過(guò)1000攝氏度的高溫下單獨制造，因此，無(wú)法在現有的集成制造計劃中，在不熔化第三層的基礎上構建3D芯片。 蘇拉克解釋說(shuō)，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。盡管其團隊的3D芯片將比最先進(jìn)的硅設備大10倍，但這種芯片的速度和能效預計將提高50倍，對于耗電量巨大的數據中心來(lái)說(shuō)，這不啻為一大福音。 此外，DARPA項目還支持對靈活芯片架構的研究。 亞利桑那州立大學(xué)的無(wú)線(xiàn)通訊專(zhuān)家丹尼爾·布利斯及其同事希望，利用可以即時(shí)重新配置以執行特定任務(wù)的芯片來(lái)改善無(wú)線(xiàn)通訊的效果。布利斯正致力于研制利用軟件而非硬件來(lái)混合和過(guò)濾信號的無(wú)線(xiàn)電芯片，這一進(jìn)步將使更多設備能夠無(wú)干擾地發(fā)送和接收信號。他說(shuō)，這可以改善移動(dòng)和衛星通信，并加快讓無(wú)數設備彼此之間通信的物聯(lián)網(wǎng)的增長(cháng)。 DARPA提供的另一項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算機工具。這些工具通過(guò)被稱(chēng)為機器學(xué)習的人工智能來(lái)驗證新穎的芯片設計。它們將有助于檢測由數十億個(gè)晶體管組成的芯片中的設計缺陷，這一過(guò)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的能力。 斯坦福大學(xué)電氣和計算機工程師、3D碳納米管和電路驗證項目研究員瑟巴哈斯�！っ芴乩f(shuō)，即便只有小部分新項目取得成功，DARPA的最新資助計劃“也將徹底改變我們設計電子產(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(pán)踞數十年的硅，“現在看來(lái)很明顯，硅會(huì )沿著(zhù)已知路徑前進(jìn)，但我們清楚地知道，未來(lái)不是這個(gè)樣子”。 |
