走进科学
结合计算和数据存储的三维芯片
随着嵌入式技术越来越多地出现于我们生活中的更多领域，从自动驾驶到个性化医疗等领域都产生着大量数据。但随着数据洪流规模壮大，计算机芯片的处理能力却迟滞不前。
现在，斯坦福大学和麻省理工学院的研究者们建立了一种新的芯片来克服这一阻碍。这一研究已发表在7月5日的自然杂志上，第一作者为MIT电子工程和计算科学助理教授Max Shulaker。Shulaker在导师斯坦福大学电子工程和计算科学教授Subhasish Mitra指导下作为博士生开始这一工作，一起进行研究的还有H.-S. Philip Wong、斯坦福教授Roger Howe以及Krishna Saraswat。
credit: 煎蛋画师Chon
今天的计算机包含多种不同的芯片。一种芯片负责计算，另一种负责数据存储，两者之间的连接有限。由于应用分析的数据量日益增大，不同芯片之间数据传输速率限制已成为关键的通信瓶颈。由于可供放置芯片的空间有限，虽然芯片已经小型化了，但仍无法将芯片并排排布(这一现象被称为摩尔定律)。
更糟糕的是，晶体管这一基础元件是由硅制成的，已经无法提升几十年来的速率。
新的原型芯片与今天的芯片迥然不同。这一新芯片使用了多种纳米技术和新的计算机架构来逆转这些趋势。
这一芯片不依赖于基于硅的元件，而是利用二维石墨烯片形成的纳米圆柱体——碳纳米管和通过改变固体介质材料电阻运行的非易失性存储器——电阻式记忆体(RRAM)单元。研究者集成了1百万多RRAM单元和2百万碳纳米管场效应晶体管，利用新兴的纳米技术建成了史上最复杂的纳米电子系统。
RRAM和碳纳米管相互垂直叠加，形成一种新型稠密三维计算机架构，具有交错的逻辑和存储层。通过在层间插入超稠密电线，这一三维架构就能处理上述通信瓶颈。
但是，据第一作者MIT微系统技术实验室核心成员Max Shulaker称，利用硅基技术无法建成这样的结构。“今天的电路是二维的，因为制造传统硅晶体管涉及1000多摄氏度的极高温度。如果你在硅电路上面建造第二层，高温将损坏底层的电路。”
这一工作的关键在于可以在200摄氏度之下的低温下建造碳纳米管电路和RRAM存储器。“这就意味着可以建造多层电路而不会损坏下面的电路。”
这为未来的计算系统提供了多种好处。Wong说道：“元件更好：碳纳米管制造的逻辑层相比今天的硅制造的逻辑单元提高了一个数量级的能量效率，类似的，相比动态随机存储器(DRAM)，RRAM也可以更稠密、更快以及更高效。”
Saraswat补充道：“除了能提升设备，三维集成电路也能处理系统中另外的关键问题：芯片内和芯片间的连接。”
Mitra说道：“这一新型三维计算机架构提供了稠密和细粒度的计算和数据存储集成，彻底解决了芯片间数据传输的瓶颈。由此，芯片就能存储大量数据，实现片上处理，将数据洪流转换为有用信息。”
为了演示这一技术的潜力，研究者们利用碳纳米管的能力充当传感器。在芯片顶层，他们放置了100多万个基于碳纳米管的传感器，用于检测和分类环境气体。
Shulaker称，由于感知、数据存储以及计算层相互层叠，这一芯片就能并行测量每个传感器，然后直接写入存储器，产生巨大的带宽。
Howe说道：“我们演示的一个巨大优势在于它与今天的硅架构相容，不管是制造还是设计。”
支持该研究的半导体研究公司的董事长和CEO Ken Hansen说道：“这一策略与CMOS兼容并且可用于各种应用这一事实表明，这是摩尔定律不断发展的重要一步。为了维系摩尔定律经济的前景，需要提出创新的异质方法，因为尺寸比例化已经不再足够。这一先驱工作体现了这种哲学。”
团队现在正努力改善所使用的纳米技术，同时探索这一新型三维计算机架构。对于Shulaker，下一步是与马萨诸塞州半导体公司美国模拟器件公司合作研发系统的新版本，利用其能力在同一芯片上进行感知和数据处理。
他说道：“这一技术不仅能提高传统计算，也能打开新的目标应用领域。我的学生正在研究如何制造不仅能进行计算的芯片。”
