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余鹏鲲:石墨烯3D芯片能“使美国再次巨年夜”吗

宣布时间:2018年09月17日 14:09    宣布者:eechina
要害词: 碳纳米 , 石墨烯 , 3D芯片
泉源:不雅不雅察者网
作者:余鹏鲲

自从特朗普把“美国优先”培植为美国政府制订政策的尺度以来,美国的各个家当部门都应景地泛起出“使美国再次巨年夜”的妄图和妄图来,其中自然少不了电子行业。美国国防高等研究妄图局(DARPA)作为美国军用手艺研究主要治理部门适时地启动了电子中兴妄图。

该妄图旨在联系美国的家当界和学术界,以重振美国略显颓势的芯片家当。因其撒播张扬将改变微电子行业的临盆要领,以是有的媒体也宣传美国的电子中兴妄图将激起第二次电子革命。

美国的这一妄图分为三个部门:

一类关乎设计,网罗:电子智能资源(IDEA)和先进开源硬件(POSH),主要触及到降低设计资源的效果。

一类关乎盘算机系统结构,网罗:软件界说硬件(SDH)和区域片上系统(DSSoC),主要关注硬件与软件之间自力性和兼容性的效果。

最后一类关注整合资料的效果,即制造芯片质料的整剖析绩,网罗3D片上系统(3dSoC)和新盘算基础需求剖析(FRANC)。

第一批入围该项目赞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。现在该团队主要的研究内容是将石墨烯质料用于制造碳纳米晶体管,并结构出3D芯片来。据称该团队的研究内容将有望以更低的资源完成50倍盘算性能的提升。

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(该团队在3DSoC分项中取得了绝年夜多数赞助)

年夜投资、新质料加上号称数目级的性能提升为这支石墨烯3D芯片团队赚足了眼球。国际也有许多夷易近众号转发了这一新闻,有的更将其称之为“美国电子中兴妄图中的相对焦点”,并称该类芯片将在人工智能领域年夜显身手。那么我们不由要问,石墨烯3D芯片是甚么?真的有这样的威力吗?

此次的石墨烯3D芯片着实不是完全由石墨烯组成

担负此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max Shulaker,Max教授早在斯坦福年夜学就读博士时就有惊人的现实效果。他所在的团队开发出了天下上第一台基于碳纳米晶体管手艺的盘算机,并将效果宣布在著名的《自然》杂志上。

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(Max Shulaker教授像)

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的盘算和存储模子,也是在这篇文章中发生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一看法。

由于Max教授2013年的残暴过往,简直国际所有的报导都把此处的3DSoC算作是完全的石墨烯芯片,而且把Max 2017年揭晓的论文视为其2013年的那篇论文的生长和延续,而忽视了二者存在的显着差异。

2013年的谁人碳纳米晶体盘算机是完全意义上的纯碳纳米技妙策算机,其主要内容是探索用新质料取代硅做新型电子装备的质料,而比来揭晓于自然杂志的石墨烯3D芯片则是试图用石墨烯质料加入到传统硅芯片的构建中来,二者的思绪是不尽类似的。

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(仅从论文配图便可以显着看出不是纯石墨烯芯片)

该教授2017年揭晓在《自然》杂志论文中申报的芯片,拥着四个集成电路层,并具有5个子系统。其中担负实验样品蒸汽数据搜集、传输和处置赏罚赏罚的部门是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元(RRAM)和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个组合型的气息探测芯片,而不只仅是碳纳米晶体管组成的。

石墨烯芯片还存在许多效果

之以是人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的质料,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,而且能够支持快速开关,是以其性能和能耗体现也远远好过传统硅质料”。

换言之就是说,石墨烯具有硅所不具有的更优良的力学、化学和电学性能。不外这些优势真的是电子工业所须要的吗?近几年来,作为盘算机焦点的CPU的单核性能不再像之前一样年夜幅前进的主要启事真的是由于硅半导体质料的力学、化学和电学性能不行吗?

现实显着不是这样,当今CPU综合性能上不去有严重年夜度太年夜的启事,有主频难以一连前进的启事,也有芯片功耗误差的启事和带宽误差的启事。这些启事都不是由于硅半导体自己的质料效果组成的。

以主频的前进为例,130nm工艺以后,芯片电路延迟随晶体管镌汰的趋势愈来愈弱。陪同而来的就是主频的提升愈来愈难,现在制约主频的主要因素曾经成为连线时延而非晶体管的翻转速率。

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(随着制程的减小,门延迟降低而连线延迟上升)

可见此时引入新的质料着实不克不及处置赏罚赏罚电子工业面临的效果,况且以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工艰辛的效果。现实上,半导体电子管身世早期就有过能否是应当用功耗更低的锗来做半导体的基材的议论辩说。最后由于资源和硅电路之前的积累事实使家当界放弃了这一盘算。

明天引入的新质料,假定不克不及处置赏罚赏罚下面这些要害效果,面临的壁垒比昔时的锗半导体质料只年夜不小,以是Max比来的研究泉源向石墨烯赞助硅改变。

Max教授在他近期的论文中撒播张扬:“该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造,而传统的工艺须要1000度”。高温有助于年夜年夜增添集成电路层之间的纵向联系,按该论文的说法,石墨烯3D芯片的纵向联系比传统要领增添了1000倍。而这类联系有助于处置赏罚赏罚年夜型集成电路元件中带宽误差的效果。

这类温度上的差异是由石墨烯质料与硅半导体加工要领不合组成的,构建芯片的晶体管着实不是是蚀刻加工的,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。

这类要领在一定水平上有其优胜的一面,此外一方面,若何年夜规模的、匀称的、异常年夜小的生长碳纳米晶体管也是令人头疼的效果。

2013年全球首台碳纳米晶体管盘算机身世时Max Shulaker教授说:“这是人类应用碳纳米管临盆的最严重年夜的电子装备。”而这台盘算机仅仅只需178个晶体管,同时只能运转支持计数和排列等质朴功效的操作系统。这与其时的硅半导体盘算机存在数切切倍的差距。

Max教授在此外一篇论文中也认可“碳纳米管(加工中)容易改变,这会降低电路产量, 降低电路的抗滋扰才干, 并严重降低其动力和速率效益。为了战胜这一凹陷的寻衅, 须要探索和优化碳纳米管处置赏罚赏罚妄图和 CNFET 电路设计。”

说取代传统硅芯片为时髦早

2017年此次Max教授的研究效果之以是受人注目,一方面是由于芯片中集成的碳纳米晶体管数极年夜地增添到200多万个,此外一方面是由于“电子中兴妄图”撒播张扬该团队的效果有望以更低的资源完成50倍的性能提升。

笔者以为,现在说石墨烯3D芯片取代传统硅芯片尚有许多艰辛,该团队的宣传无疑存在相当的水分。

之以是这样说是由于该团队并未处置赏罚赏罚临盆石墨烯芯片带来的良品率效果。所谓200万个碳纳米晶体管由盘算、输入输入和采小我私人系组成,并组成了100万个气息传感器。也就是说,这些晶体管简直所有用于制造气息传感器了,而气息传感器的容错性是异常强的。100万个传感器中纵然破损几万个也不会对芯片发生息灭性的影响。

这样的芯片能否证实碳纳米晶体管临盆的稳固性和可靠性是值得嫌疑的。

而该团队确切在宣传上也异常喜欢强调的气焰气焰,在论文中动辄撒播张扬比现有的措施提升若干倍。在一篇议论辩说碳纳米晶体管设计中的文章中以致撒播张扬比现有的妄图有了至少100倍的提升。是以所谓50倍的性能前进也是异常值得嫌疑的。
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