为计算和数据存储而开发的3d芯片

随着嵌入式智能进入我们生活的越来越多领域，从自动驾驶到个性化医疗等领域都在产生大量的数据。但就在数据洪流达到巨大规模时，计算机芯片将其处理成有用信息的能力却在停滞。

斯坦福大学和麻省理工学院的研究人员制造了一种新的芯片来克服这一障碍。该研究结果由麻省理工学院电气工程和计算机科学助理教授马克斯·舒拉克(Max Shulaker)发表在《自然》杂志上。舒拉克开始这项工作时还是h - s的博士生。Philip Wong和他的导师Subhasish Mitra是斯坦福大学电气工程和计算机科学教授。该团队还包括同样来自斯坦福大学的罗杰·豪教授和克里希纳·萨拉斯瓦特教授。

今天的计算机由不同的芯片拼凑而成。有一个芯片用于计算，另一个芯片用于数据存储，两者之间的连接是有限的。随着应用程序分析的数据量越来越大，数据在不同芯片之间移动的有限速度正在形成一个关键的通信“瓶颈”。由于芯片上的空间有限，即使它们已经小型化(这一现象被称为摩尔定律)，也没有足够的空间将它们并排放置。

更糟糕的是，底层器件——硅晶体管——不再以几十年来的历史速度进步。

新的原型芯片与现在的芯片相比有了根本性的变化。它使用多种纳米技术，结合新的计算机架构，来扭转这两种趋势。

该芯片不依赖硅基器件，而是使用碳纳米管(由二维石墨烯片组成的纳米圆柱体)和电阻性随机存取存储器(RRAM)单元(一种通过改变固体介电材料的电阻来工作的非易失性存储器)。研究人员集成了超过100万个RRAM单元和200万个碳纳米管场效应晶体管，用新兴纳米技术制成了有史以来最复杂的纳米电子系统。

RRAM和碳纳米管垂直地建立在彼此之上，形成了一个新的、密集的三维计算机结构，逻辑层和存储器层交织在一起。通过在这些层之间插入超密集的电线，这种3d架构有望解决通信瓶颈。

然而，根据该论文的主要作者、麻省理工学院微系统技术实验室的核心成员Max Shulaker的说法，这样的架构在现有的硅基技术中是不可能实现的。Shulaker说:“如今的电路是二维的，因为制造传统的硅晶体管需要超过1000摄氏度的极高温度。”“如果你在上面建造第二层硅电路，高温会破坏电路的底层。”

这项工作的关键是碳纳米管电路和RRAM存储器可以在更低的温度下制造，低于200°C。舒拉克说:“这意味着它们可以在不损害下面电路的情况下逐层构建。”

这为未来的计算系统同时提供了几个好处。Wong说:“这些设备更好:由碳纳米管制成的逻辑比现在由硅制成的逻辑节能一个数量级，同样，与DRAM相比，RRAM可以更密集、更快、更节能。”他指的是一种被称为动态随机存取存储器的传统存储器。

“除了改进设备，3d集成还可以解决系统中的另一个关键问题:芯片内部和芯片之间的互连，”Saraswat补充道。

Mitra说:“新的3d计算机架构提供了计算和数据存储的密集和细粒度集成，极大地克服了在芯片之间移动数据的瓶颈。”“因此，该芯片能够存储大量数据，并进行片内处理，将大量数据转化为有用的信息。”

为了证明这项技术的潜力，研究人员利用了碳纳米管作为传感器的能力。在芯片的顶层，他们放置了超过100万个基于碳纳米管的传感器，用于检测和分类环境气体。

Shulaker说，由于传感、数据存储和计算的分层，该芯片能够并行测量每个传感器，然后直接写入其内存，产生巨大的带宽。

Howe说:“我们的演示的一大优势是，无论是在制造还是设计方面，它都与当今的硅基础设施兼容。”

支持这项研究的半导体研究公司总裁兼首席执行官Ken Hansen说:“这一策略既兼容CMOS(互补金属氧化物半导体)，又适用于各种应用，这表明它是摩尔定律持续发展的重要一步。”“为了维持摩尔定律经济学的承诺，需要创新的异质方法，因为维度缩放不再足够。这项开创性的工作体现了这一理念。”

该团队正在努力改进底层纳米技术，同时探索新的3d计算机架构。对于Shulaker来说，下一步是与马萨诸塞州的半导体公司Analog Devices合作，开发新版本的系统，利用其在同一芯片上进行传感和数据处理的能力。

舒拉克说，例如，这种设备可以通过感知病人呼吸中的特定化合物来检测疾病的迹象。

他说:“这项技术不仅可以改进传统的计算，而且还开辟了一系列我们可以瞄准的全新应用。”“我的学生们现在正在研究如何生产出除了计算功能以外的芯片。”

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程诊断和资产管理故事．

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