結合計算和數據存儲的三維晶元

隨著嵌入式技術越來越多地出現於我們生活中的更多領域，從自動駕駛到個性化醫療等領域都產生著大量數據。但隨著數據洪流規模壯大，計算機晶元的處理能力卻遲滯不前。

現在，斯坦福大學和麻省理工學院的研究者們建立了一種新的晶元來克服這一阻礙。這一研究已發表在7月5日的自然雜誌上，第一作者為MIT電子工程和計算科學助理教授Max Shulaker。Shulaker在導師斯坦福大學電子工程和計算科學教授Subhasish Mitra指導下作為博士生開始這一工作，一起進行研究的還有H.-S. Philip Wong、斯坦福教授Roger Howe以及Krishna Saraswat。

credit: 煎蛋畫師Chon

今天的計算機包含多種不同的晶元。一種晶元負責計算，另一種負責數據存儲，兩者之間的連接有限。由於應用分析的數據量日益增大，不同晶元之間數據傳輸速率限制已成為關鍵的通信瓶頸。由於可供放置晶元的空間有限，雖然晶元已經小型化了，但仍無法將晶元並排排布(這一現象被稱為摩爾定律)。

更糟糕的是，晶體管這一基礎元件是由硅製成的，已經無法提升幾十年來的速率。

新的原型晶元與今天的晶元迥然不同。這一新晶元使用了多種納米技術和新的計算機架構來逆轉這些趨勢。

這一晶元不依賴於基於硅的元件，而是利用二維石墨烯片形成的納米圓柱體——碳納米管和通過改變固體介質材料電阻運行的非易失性存儲器——電阻式記憶體(RRAM)單元。研究者集成了1百萬多RRAM單元和2百萬碳納米管場效應晶體管，利用新興的納米技術建成了史上最複雜的納米電子系統。

RRAM和碳納米管相互垂直疊加，形成一種新型稠密三維計算機架構，具有交錯的邏輯和存儲層。通過在層間插入超稠密電線，這一三維架構就能處理上述通信瓶頸。

但是，據第一作者MIT微系統技術實驗室核心成員Max Shulaker稱，利用硅基技術無法建成這樣的結構。「今天的電路是二維的，因為製造傳統硅晶體管涉及1000多攝氏度的極高溫度。如果你在硅電路上面建造第二層，高溫將損壞底層的電路。」

這一工作的關鍵在於可以在200攝氏度之下的低溫下建造碳納米管電路和RRAM存儲器。「這就意味著可以建造多層電路而不會損壞下面的電路。」

這為未來的計算系統提供了多種好處。Wong說道：「元件更好：碳納米管製造的邏輯層相比今天的硅製造的邏輯單元提高了一個數量級的能量效率，類似的，相比動態隨機存儲器(DRAM)，RRAM也可以更稠密、更快以及更高效。」

Saraswat補充道：「除了能提升設備，三維集成電路也能處理系統中另外的關鍵問題：晶元內和晶元間的連接。」

Mitra說道：「這一新型三維計算機架構提供了稠密和細粒度的計算和數據存儲集成，徹底解決了晶元間數據傳輸的瓶頸。由此，晶元就能存儲大量數據，實現片上處理，將數據洪流轉換為有用信息。」

為了演示這一技術的潛力，研究者們利用碳納米管的能力充當感測器。在晶元頂層，他們放置了100多萬個基於碳納米管的感測器，用於檢測和分類環境氣體。

Shulaker稱，由於感知、數據存儲以及計算層相互層疊，這一晶元就能並行測量每個感測器，然後直接寫入存儲器，產生巨大的帶寬。

Howe說道：「我們演示的一個巨大優勢在於它與今天的硅架構相容，不管是製造還是設計。」

支持該研究的半導體研究公司的董事長和CEO Ken Hansen說道：「這一策略與CMOS兼容並且可用於各種應用這一事實表明，這是摩爾定律不斷發展的重要一步。為了維繫摩爾定律經濟的前景，需要提出創新的異質方法，因為尺寸比例化已經不再足夠。這一先驅工作體現了這種哲學。」

團隊現在正努力改善所使用的納米技術，同時探索這一新型三維計算機架構。對於Shulaker，下一步是與馬薩諸塞州半導體公司美國模擬器件公司合作研發系統的新版本，利用其能力在同一晶元上進行感知和數據處理。

他說道：「這一技術不僅能提高傳統計算，也能打開新的目標應用領域。我的學生正在研究如何製造不僅能進行計算的晶元。」

論文原文：DOI: 10.1038/nature22994

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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