美国麻省理工学院（MIT）和斯坦福大学的研究人员研发出一款基于碳纳米管和电阻随机存储器（RRAM）的新型集成计算和数据存储功能于一体的芯片，在克服该现有计算机数据处理能力障碍上迈出显著一步，研究成果发表在《自然》杂志上。

▍研究团队

论文的第一作者是MIT电子工程和计算机科学学院的助教Max Shulaker。Shulaker是MIT微系统技术实验室的核心成员，在读博士生期间开始该研究，师从Philip Wong和其顾问——斯坦福大学电子工程和计算机科学学院的教授Subhasish Mitra。研究团队还包括同样来自斯坦福大学的Roger Howe和Krishna Saraswat教授。

▍研究背景

随着嵌入式智能正越来越多地走入我们的生活，从自动驾驶到个人医疗，正在产生海量数据。但正因为数据的洪流所达到的巨大比例，将这些数据处理为有用信息的计算机芯片发展正陷入停顿。当前的计算机由不同芯片组合而成。一个芯片用于计算，另一个芯片用于数据存储，而两个芯片之间的数据传输带宽有限。随着多种应用所分析数据量的显著增加，数据在两者间移动的速率已经产生了很大的通信“瓶颈”。即使芯片体积已在不断减小，仍没有足够的空间将该两个芯片并排放置，以此来提高传输速率。

使事情更糟的是，芯片的基础组成部分——硅基晶体管的改进速度已在放缓，不及数十年来的发展步伐。新的芯片原型已经与当前的芯片有了本质的改变，它使用多种纳米技术和新的计算架构来解决发展瓶颈。

▍组成单元

新的研究成果并未依赖硅基器件，而是使用了碳纳米管和电阻随机存储器（RRAM）单元。RRAM是一种根据施加在金属氧化物上电压的不同，使材料的电阻在高阻态和低阻态间发生相应变化，从而开启或阻断电流流动通道，并利用这种性质储存各种信息的内存。研究人员集成了超过100万个RRAM单元和200万个碳纳米场效应晶体管，使用先进纳米技术制作出最复杂纳米电子系统。

▍技术突破——3D结构

RRAM和碳纳米管垂直制造，使用逻辑和存储器互相交叠层来实现新的密集3D计算机架构。通过在这些层间嵌入超密集互连线，该3D架构具有潜力能解决通信瓶颈。下图为研究人员给出的结构示意图。

图：此次研究成果的结构示意图

但是，使用现有硅基技术不太可能实现这样的架构。Max Shulaker表示：“当前的电路是2维的，因为传统硅晶体管的制造过程包含了超过1000摄氏度的超高温度，如果你在其上再制造第二层硅电路，这么高的温度将损坏第一层电路。”这项的工作的核心是碳纳米管电路和RRAM存储器能够以低得多的温度制造，低于200℃。Shulaker 说“这意味着他们可以建造更多的层，而不会损害其中的电路。”

▍优势

这为未来计算系统提供了几项好处。Wong说：“器件更高，采用碳纳米管制造的逻辑电路的能效比当前使用硅材料制造的逻辑电路提高一个数量级，同样地，RRAM与DRAM相比，密度更高、速度更快、能效更低”Saraswat补充道：“除了器件性能的改进，3D集成能够解决系统中另一重要发展因素：芯片内和芯片间的互连。”Mitra说：“新的3D计算机架构提供计算和数据存储的高密度和精细集成，显著克服了在芯片间移动数据的瓶颈。结果是，芯片能够存储海量数据，并执行在片处理来将海量数据转化为有用信息。”

▍初步应用

为了展现该技术的前景，研究人员利用了碳纳米管作了一层传感器。在芯片的最上层，他们放置了超过100万个基于碳纳米管的传感器，这些传感器用于探测和区分周围气体。Shulaker说，因为感知、数据存储和计算的分层，芯片能够并行测量每一个传感器，然后直接写入其存储器中，产生巨大带宽。

▍意义——三维集成

三维集成是在延续摩尔定律微缩道路上最具有潜力的方式，允许在单位体积内不断集成更多器件。它将在计算架构上带来基础性的不同，支持存储器和逻辑电路间一个亲密交互。这些结构尤其适合于替代性基于学习的计算机范式，如类脑系统和深度神经网络，此次进展无疑是朝这个方向的巨大第一步。

▍意义——与现有技术兼容

Howe表示，“我们成果的一个巨大优势是它与当前的硅架构兼容，不管是设计还是制造”。半导体研究联盟（SRC）的主席和首席执行官Ken Hansen表示：“该策略是CMOS兼容，适用于多种应用，意味着这是在持续摩尔定律优势上显著的一步。要保持摩尔定律经济效益的许诺，需要创新性异质方法，因为尺寸微缩已经难以为继。该前瞻性工作包含了该思路。”

▍意义——开启新应用

亚诺德前首席技术官Sam Fuller说：“传感器、存储器和逻辑电路3D集成的展示是一个利用现有CMOS技术及碳纳米场效应管新能力的额外创新性进展。它具备潜力成为未来很多革命性应用的平台”

▍下一步工作

该团队正在改进组成的纳米技术，同时探索新的3D计算机架构。对于Shulaker，下一步是与位于麻省的半导体公司亚诺德（ADI）合作研发该系统的新版本，能够在同一芯片上实现感知和数据处理能力。这样的话，例如，系统能够通过感知病人呼吸中特定的成分来检测疾病的信号。Shulaker说：“该技术不仅能够改进传统计算，它同样能够开启我们目标的全新领域。我们学生现在研究如果能够制造芯片，能够做的比计算多。”

▍资金支持

该工作由国防先期研究计划局（DARPA）、国家科学基金会（NSF）、半导体研究联盟（SRC）、STARnet项目SONIC中心、斯坦福大学SystemX联盟成员提供资金支持。

文章链接：

Max M. Shulaker, et al, "Three-dimensional integration of nanotechnologies for computing and data storage on a single chip," Nature 547, 74–78 (06 July 2017) doi:10.1038/nature22994

（本文来源微信公众号：大国重器—聚焦世界军用电子元器件；）

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