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MIT设计出新型3D结构处理芯片 边缘计算领域取得新突破

时间:2019-12-12

相比云计算,边缘计算能够能快速灵活的处理海量数据,尤其在物联网领域,实时处理数据的计算能力显得尤为重要。由于技术原因,现有的边缘计算能力还不够强大,MIT的研究人员近日设计出了一款新型3D结构的芯片,或将成为实现强大边缘计算能力的关键。

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8月28日电,英国《自然》杂志28日发表了一项计算科学最新进展:美国麻省理工学院团队利用14000多个碳纳米管晶体管,制造出16位微处理器,并生成这样一条信息。其设计和制造方法克服了之前与碳纳米管相关的挑战,将为先进微电子装置中的硅带来一种高效能替代品。

据MIT的研究人员介绍,这种新型3D芯片的制造方法可以将碳纳米管和可变式电阻储存器等单元组件集成在一起,创建出一个组合式的电子处理器,所以,这个芯片是3D构架,而传统硅芯片的则是2D结构。3D结构的芯片相比于传统芯片而言,会有更加强大的处理能力,因为它使得边缘计算中关键的分散式运算得以更好的实现。

电子器件中所用的硅晶体管正达到一个临界点,无法进行有效扩展以推动电子学的进步。而碳纳米管是一种潜在的可用于制造高效能器件的替代材料,又名巴基管,重量很轻,结构特殊——主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。目前碳纳米管已经表现出优异的力学和电学性能,但其自身的缺陷和可变性,限制了这些微型碳原子圆柱体在大规模系统中的应用。

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。

此次,麻省理工学院科学家马克斯·舒拉克及同事设计和构建了一种碳纳米管微处理器,来解决这类问题。他们利用一种剥落工艺防止碳纳米管聚合在一起,以防晶体管无法正常工作。此外,通过精细的电路设计,减少了金属型碳纳米管而非半导体型碳纳米管的数量,后者的存在不会影响电路的功能,从而克服了和碳纳米管杂质相关的问题。

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。在这样的背景情况下,研究便开始展开。

研究团队将该微处理器命名为“RV16X-NANO”,并在测试中成功执行了一个程序,生成信息:“你好,世界!我是RV16XNano,由碳纳米管制成。”

在研究过程中,科学家使用了新的材料来制造3D芯片的单元组件,使得这些纳米电路管和 RRAM 组件的制造温度低于200度,而传统的2D芯片的晶体管制造则需要1000度左右的温度中制造。较低的制造温度意味着在这些单元组件上可以进行其他组件的拼接组合,因为过高的温度会影响其他组件的运行。基于此,研究人员才成功设计出了这款新型的3D构架的处理芯片。据悉,该研究团队正计划对这种3D芯片的应用做更进一步的研究。

研究人员总结称,鉴于这个微处理器的设计和制造采用了行业标准,因此这项研究为超越硅的电子学指明了一个富有前景的发展方向。

2013年,斯坦福大学制造出了第一台碳纳米管计算机,只有178个晶体管。

现在,归属于MIT的研究团队造出RV16X-NANO,有14000个晶体管。

6年提高近80倍,速度是摩尔定律的5倍。

在接受Nature杂志采访时,上海交通大学的孙亚男教授表示,“这项工作向前迈出了一大步,更接近于商用芯片。”

科技媒体ArsTechnica也给出评论,说这是一项令人印象深刻的工作。

相对来说,网友给出的评论则没有那么克制:

This is a stunt - but it’s a pretty cool stunt

这是一个绝技,而且是一个非常酷的绝技

“驯服”碳纳米管

虽然相比硅晶体有很多优点,但是用碳纳米管来制作芯片存在着许多问题。

首先,虽然碳纳米管是一种半导体,但它的制造过程需要用到金属,由此制造的碳纳米管不可避免地会混入金属杂质。如果要获得净化的半导体版本,需要将纯度水平在提高到99.999999%,在当前的技术条件下几乎是不可能的。

而且,碳纳米管不会自然形成p型或n型半导体。在硅中,这些特性是通过掺杂少量其他元素来实现。但碳纳米管非常小,难以掺杂。

另外一个问题是,制作电子元器件需要将纳米管放置在极其精确的位置上。科学家们现在还没有掌握让它们在特定位置生长的方法。因此不得不分别制作,然后让它们沉淀在表面上。

不幸的是,这个过程通常会产生一个随机取向的纳米管薄膜,由大量碳纳米管聚集而成,并且其中会混入一些金属纳米管。

MIT的研究人员和亚德诺半导体公司的科学家找到了解决所有这些问题的方法。

研究人员提出了一种名为DREAM的技术,把对碳纳米管严格的纯度要求放宽了大约1万倍,这意味着纯度达到99.99%即可制作芯片,这在目前的技术下是可行的。

制造碳纳米管芯片首先是解决排列混乱的问题。研究人员制造了一个足够大、具有金属特征的硅表面,可以保证纳米管在金属间隙之间生长。

为了去除聚集体,他们在纳米管上沉积了一层材料,然后通过超声将其破碎。这种材料会带走聚集体,但不会使下层的纳米管受到干扰。

接下来,为了将纳米管限制在需要的地方,研究人员只要将大部分的纳米管蚀刻掉,留下需要的部分。

然后,研究人员使用原子沉积的技术将金属氧化物附着再纳米管上。不同的金属氧化物性质不同,可以根据需要将纳米管转化为p型或n型半导体。这个过程类似于硅晶体的掺杂,而且可以有效地控制各个pn结的行为。

从晶体管到芯片

由此制造的元件被称作碳纳米管场效应晶体管,与金属氧化物半导体场效应管类似,它是构建下一代计算机的基本单元。

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