石墨烯3D芯片能使美國再次“偉大”嗎
石墨烯3D芯片能使美國再次“偉大”嗎
自從特朗普把“美國優(yōu)先”樹立為美國政府制定政策的標(biāo)準以來，美國的各個產(chǎn)業(yè)部門都應(yīng)景地涌現(xiàn)出“使美國再次偉大”的方案和計劃來，其中自然少不了電子行業(yè)。美國國防高級研究計劃局（DARPA）作為美國軍用技術(shù)研究主要管理部門適時地啟動了電子復(fù)興計劃。
該計劃旨在團結(jié)美國的產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界，以重振美國略顯頹勢的芯片產(chǎn)業(yè)。因其宣稱將改變微電子行業(yè)的生產(chǎn)方式，所以有的媒體也鼓吹美國的電子復(fù)興計劃將引發(fā)第二次電子革命。
美國的這一計劃分為三個部分：
一類關(guān)乎設(shè)計，包括：電子智能資源（IDEA）和先進開源硬件（POSH），主要涉及到降低設(shè)計成本的問題。
一類關(guān)乎計算機體系結(jié)構(gòu)，包括：軟件定義硬件（SDH）和區(qū)域片上系統(tǒng)（DSSoC）,主要關(guān)注硬件與軟件之間獨立性和兼容性的問題。
最后一類關(guān)注整合材料的問題，即制造芯片材料的整合問題，包括3D片上系統(tǒng)（3dSoC）和新計算基礎(chǔ)需求分析（FRANC）。
第一批入圍該項目資助的有來自于全美國的43個團隊，其中來自麻省理工學(xué)院Max Shulaker團隊獨得6100萬美元位列第一，而這一數(shù)字也遠高于同為研究3DSoC的佐治亞理工學(xué)院團隊的310萬美元。目前該團隊主要的研究內(nèi)容是將石墨烯材料用于制作碳納米晶體管，并構(gòu)造出3D芯片來。據(jù)稱該團隊的研究內(nèi)容將有望以更低的成本實現(xiàn)50倍計算性能的提升。
大投資、新材料加上號稱數(shù)量級的性能提升為這支石墨烯3D芯片團隊賺足了眼球。國內(nèi)也有不少公眾號轉(zhuǎn)發(fā)了這一消息，有的更將其稱之為“美國電子復(fù)興計劃中的絕對核心”，并稱該類芯片將在人工智能領(lǐng)域大顯身手。那么我們不禁要問，石墨烯3D芯片是什么？真的有這樣的威力嗎？
此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯構(gòu)成
負責(zé)此次3D芯片項目的是麻省理工學(xué)院的明星教授Max Shulaker，Max教授早在斯坦福大學(xué)就讀博士時就有驚人的理論成果。他所在的團隊開發(fā)出了世界上第一臺基于碳納米晶體管技術(shù)的計算機，并將成果公布在著名的《自然》雜志上。
2017年Max教授再次于《自然》雜志發(fā)文提出單芯片上三維集成的計算和存儲模型，也是在這篇文章中產(chǎn)生了石墨烯制造的碳納米管3D芯片這一概念。
由于Max教授2013年的輝煌過往，幾乎國內(nèi)所有的報道都把此處的3DSoC當(dāng)作是完全的石墨烯芯片，而且把Max 2017年發(fā)表的論文視為其2013年的那篇論文的發(fā)展和延續(xù)，而忽略了二者存在的明顯區(qū)別。
2013年的那個碳納米晶體計算機是完全意義上的純碳納米技術(shù)計算機，其主要內(nèi)容是探索用新材料取代硅做新型電子設(shè)備的材料，而最近發(fā)表于自然雜志的石墨烯3D芯片則是試圖用石墨烯材料參與到傳統(tǒng)硅芯片的構(gòu)建中來，兩者的思路是不盡相同的。
該教授2017年發(fā)表在《自然》雜志論文中報告的芯片，擁著四個集成電路層，并擁有5個子系統(tǒng)。其中負責(zé)實驗樣品蒸汽數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的部分是碳納米晶體管構(gòu)建的，而電阻隨機存儲單元（RRAM）和接口電路是由硅晶體管構(gòu)建的。毫無疑問，這是一個組合型的氣味探測芯片，而不僅僅是碳納米晶體管構(gòu)成的。
石墨烯芯片還存在很多問題
之所以人們會想用石墨烯以取代現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體作為芯片的材料，用Max教授的2013年的話說就是：“與傳統(tǒng)晶體管相比，碳納米管體積更小，傳導(dǎo)性也更強，并且能夠支持快速開關(guān)，因此其性能和能耗表現(xiàn)也遠遠好于傳統(tǒng)硅材料”。
換言之就是說，石墨烯具有硅所不具備的更優(yōu)良的力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性能。不過這些優(yōu)勢真的是電子工業(yè)所需要的嗎？近幾年來，作為計算機核心的CPU的單核性能不再像過去一樣大幅提高的主要原因真的是因為硅半導(dǎo)體材料的力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性能不行嗎？
事實顯然不是這樣，現(xiàn)今CPU綜合性能上不去有復(fù)雜度太大的原因，有主頻難以繼續(xù)提高的原因，也有芯片功耗障礙的原因和帶寬障礙的原因。這些原因都不是因為硅半導(dǎo)體本身的材料問題造成的。
以主頻的提高為例，130nm工藝之后，芯片電路延遲隨晶體管縮小的趨勢越來越弱。伴隨而來的就是主頻的提升越來越難，目前制約主頻的主要因素已經(jīng)成為連線時延而非晶體管的翻轉(zhuǎn)速度。
可見此時引入新的材料并不能解決電子工業(yè)面臨的問題，何況以石墨烯構(gòu)建芯片還面臨著與舊生態(tài)不兼容、加工困難的問題。事實上，半導(dǎo)體電子管誕生初期就有過是不是應(yīng)該用功耗更低的鍺來做半導(dǎo)體的基材的討論。最后因為成本以及硅電路過去的積累最終使產(chǎn)業(yè)界放棄了這一打算。
今天引入的新材料，如果不能解決上面這些關(guān)鍵問題，面對的壁壘比當(dāng)年的鍺半導(dǎo)體材料只大不小，所以Max最近的研究開始向石墨烯輔助硅轉(zhuǎn)變。
Max教授在他近期的論文中宣稱：“該芯片的RRAM和碳納米晶體管在200度下制造，而傳統(tǒng)的工藝需要1000度”。低溫有助于大大增加集成電路層之間的縱向聯(lián)系，按該論文的說法，石墨烯3D芯片的縱向聯(lián)系比傳統(tǒng)方式增加了1000倍。而這種聯(lián)系有助于解決大型集成電路元件中帶寬障礙的問題。
這種溫度上的差異是由石墨烯材料與硅半導(dǎo)體加工方式不同造成的，構(gòu)建芯片的晶體管并非是蝕刻加工的，而是“生長”出來的。石墨烯3D芯片制造靠的是化學(xué)而非物理作用。
這種方式在一定程度上有其優(yōu)越的一面，另一方面，如何大規(guī)模的、均勻的、同樣大小的生長碳納米晶體管也是令人頭疼的問題。
2013年全球首臺碳納米晶體管計算機誕生時Max Shulaker教授說：“這是人類利用碳納米管生產(chǎn)的最復(fù)雜的電子設(shè)備。”而這臺計算機僅僅只有178個晶體管，同時只能運行支持計數(shù)和排列等簡單功能的操作系統(tǒng)。這與當(dāng)時的硅半導(dǎo)體計算機存在數(shù)千萬倍的差距。
Max教授在另一篇論文中也承認“碳納米管（加工中）容易改變，這會降低電路產(chǎn)量,降低電路的抗干擾能力,并嚴重降低其能源和速度效益。為了克服這一突出的挑戰(zhàn),需要探索和優(yōu)化碳納米管處理方案和CNFET電路設(shè)計。”
說取代傳統(tǒng)硅芯片為時尚早
2017年這次Max教授的研究成果之所以受人矚目，一方面是因為芯片中集成的碳納米晶體管數(shù)極大地增加到200多萬個，另一方面是因為“電子復(fù)興計劃”宣稱該團隊的成果有望以更低的成本實現(xiàn)50倍的性能提升。
筆者認為，現(xiàn)在說石墨烯3D芯片取代傳統(tǒng)硅芯片還有許多困難，該團隊的宣傳無疑存在相當(dāng)?shù)乃帧?br>
之所以這樣說是因為該團隊并未解決生產(chǎn)石墨烯芯片帶來的良品率問題。所謂200萬個碳納米晶體管由計算、輸入輸出和采集系統(tǒng)組成，并構(gòu)成了100萬個氣味傳感器。也就是說，這些晶體管幾乎全部用于制作氣味傳感器了，而氣味傳感器的容錯性是非常強的。100萬個傳感器中即使損壞幾萬個也不會對芯片產(chǎn)生毀滅性的影響。
這樣的芯片能否證明碳納米晶體管生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性是值得懷疑的。
而該團隊確實在宣傳上也非常喜歡浮夸的風(fēng)格，在論文中動輒宣稱比現(xiàn)有的方法提升若干倍。在一篇討論碳納米晶體管設(shè)計中的文章中甚至宣稱比現(xiàn)有的方案有了至少100倍的提升。因此所謂50倍的性能提高也是非常值得懷疑的。
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