美國防部斥巨資促進「晶元革命」：硅晶元接近物理極限

本文來自《科技日報》，記者/劉霞。

硅計算機晶元從面世到現在已走過50多個春秋，正如一個邁入老年的人，硅晶元創新的步伐已明顯放緩。現在，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）「受命於危難之間」，開始著手解決這一問題。

據美國《科學》雜誌官網報道，7月24日，DARPA宣布了一項總額7500萬美元的計劃，旨在通過提升包括碳納米管在內的新材料和新設計的基礎研究，重振晶元產業。在接下來的5年內，DARPA的這一項目每年都將增長到3億美元，總計15億美元，為學術界和產業界人士提供相關資助。

對此，美國卡耐基梅隆大學計算機科學政策專家埃里卡·福斯欣喜地表示：「到了必須進行這一步的關鍵時刻了。」

硅晶元正接近物理極限

1965年，英特爾公司聯合創始人戈登·摩爾提出，晶元上可容納的晶體管數目，大約每18個月增加一倍——這就是我們所熟知的摩爾定律。

在隨後30年中，通過縮小晶元上元件的尺寸，晶元發展一直遵循著摩爾定律。然而進入21世紀，單純依靠縮小尺寸的做法已經明顯走到尾聲。

如果晶元縮小至2納米，那麼單個晶體管將只有10個原子大小，如此小的晶體管，其可靠性很可能存在問題。而隨著晶體管的連接越來越緊密，另一個問題也凸顯出來——晶元功耗將越來越大。

麻省理工學院（MIT）電氣工程師馬克斯·蘇拉克說，此外，如今晶元的運行速度已經停滯不前，且每次推出的新一代晶元能效只能提高30%。

諾基亞貝爾實驗室的無線通訊專家格雷戈瑞·賴特指出，製造商正在接近硅的物理極限。電子被局限於僅100個原子寬的矽片內，迫使科學家需要採用複雜的設計來阻止電子泄漏而導致錯誤，「我們目前已經沒有多少改進空間，需要另闢蹊徑了」。

密歇根大學安娜堡分校計算機科學家瓦萊里婭·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晶元製造工廠，這會扼殺這一曾經由小型創業公司主導的領域的創新。

福斯說，一些大公司開始為特定任務設計專用晶元，這極大地降低了他們為可以共享的基礎研究付費的動力。福斯及其同事的一項研究指出，1996年，有80家公司加入了位於北卡羅來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製成的晶體管製造3D晶元，相比硅晶體管，碳納米管晶體管能夠更快更有效地開關。

目前已有多家公司使用矽片製作3D晶元，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。但由於在晶元層之間傳輸信息的線路過於龐大而且分散，導致這種晶元的速度變慢。而且，由於二維硅芯層必須在超過1000攝氏度的高溫下單獨製造，因此，無法在現有的集成製造計劃中，在不熔化第三層的基礎上構建3D晶元。

蘇拉克解釋說，碳納米管晶體管幾乎可在室溫下製造，為密集的集成3D晶元提供了更好的途徑。儘管其團隊的3D晶元將比最先進的硅設備大10倍，但這種晶元的速度和能效預計將提高50倍，對於耗電量巨大的數據中心來說，這不啻為一大福音。

此外，DARPA項目還支持對靈活晶元架構的研究。

亞利桑那州立大學的無線通訊專家丹尼爾·布利斯及其同事希望，利用可以即時重新配置以執行特定任務的晶元來改善無線通訊的效果。布利斯正致力於研製利用軟體而非硬體來混合和過濾信號的無線電晶元，這一進步將使更多設備能夠無干擾地發送和接收信號。他說，這可以改善移動和衛星通信，並加快讓無數設備彼此之間通信的物聯網的增長。

DARPA提供的另一項資助將授予斯坦福大學的研究人員，用於改進晶元製造中使用的計算機工具。這些工具通過被稱為機器學習的人工智慧來驗證新穎的晶元設計。它們將有助於檢測由數十億個晶體管組成的晶元中的設計缺陷，這一過程以前大部分都是手動完成，新工具有助於加快這一任務的自動化程度，提升公司測試和製造新晶元架構的能力。

斯坦福大學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希·密特拉說，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品的方式」。他表示，這也將促使工程師們超越已在晶元領域盤踞數十年的硅，「現在看來很明顯，硅會沿著已知路徑前進，但我們清楚地知道，未來不是這個樣子」。

關鍵字 : 硅晶元美國國防部納米

（科技日報）

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